Na física do estado sólido, as interações precisas dos elétrons são analisadas por meio de um meticuloso trabalho de detetive, em última análise, para obter uma melhor compreensão dos fenômenos físicos fundamentais.

Não é nenhuma surpresa para os fãs do gênero thriller que, para resolver um caso, as impressões digitais devem ser cuidadosamente localizadas na cena do crime. Na física moderna de estado sólido, os cientistas procuram processos de espalhamento - interações entre elétrons - que contenham as pistas necessárias para se aproximar da verdade.

Revelar essas dicas cruciais é particularmente difícil no caso de materiais complexos, onde muitos elétrons desempenham um papel simultaneamente. Nos chamados "sistemas de muitos elétrons, "trilhões de elétrons podem ser conectados uns aos outros e trocar energia e momento. Na Universidade de Tecnologia de Viena, a Universidade de Tübingen e a École Polytechnique em Paris, pesquisadores fizeram progressos importantes:com a ajuda de uma análise precisa, novas estruturas foram identificadas - padrões característicos nos complicados processos de dispersão que podem ajudar a "esclarecer o caso".

Processos de dispersão e propriedades do material

Entre outras propriedades, processos de espalhamento determinam a mobilidade dos portadores de carga e, assim, controlam se o sistema, em última análise, exibe um metal, comportamento isolante ou mesmo supercondutor. Simplificando, essas quantidades matemáticas refletem o quão forte os elétrons interagem. Com a ajuda de extensas simulações de computador, pesquisadores de matéria condensada tentam definir as propriedades físicas de sistemas de muitos elétrons, e, finalmente, responder a questões fundamentais da física do estado sólido, por exemplo:"Como funcionam os supercondutores não convencionais?" ou "Como as transições de fase física quântica ocorrem no zero absoluto?"

Uma equipe de pesquisa internacional, incluindo o grupo do Professor Alessandro Toschi (Patrick Chalupa, Matthias Reitner e Daniel Springer) da TU Wien, Professora Sabine Andergassen da Universidade de Tübingen e Thomas Schäfer da École Polytechnique de Paris, alcançou importantes progressos a este respeito. Uma análise aprofundada dos processos de espalhamento e sua comparação em diferentes situações físicas permitiu a identificação de "impressões digitais" bem definidas. Os resultados do estudo foram publicados na revista Cartas de revisão física .

Novas conexões descobertas

Semelhante aos cientistas forenses na cena do crime, os pesquisadores tentaram conectar muitos pequenos detalhes para ver o quadro geral. Eles conseguiram identificar estruturas características nas quantidades matemáticas complexas que descrevem os processos de espalhamento e relacionar essas estruturas a dois fenômenos fundamentais da física do estado sólido. Esses fenômenos fundamentais acabaram sendo a formação de momentos magnéticos locais, bem como sua blindagem devido ao chamado efeito Kondo, que controlam crucialmente a mobilidade dos elétrons. Esta nova conexão permite reconhecer os efeitos físicos relevantes nos complexos processos de espalhamento em apenas um único olhar. Ao identificar essas "impressões digitais, “foi mesmo possível descobrir um critério alternativo para determinar uma das escalas de energia mais fundamentais da física teórica do estado sólido:a temperatura de Kondo.

Eventualmente, essas descobertas podem lançar uma nova luz sobre mistérios não resolvidos anteriormente na física do estado sólido, por exemplo, criticidade quântica em sistemas de férmions pesados, supercondutividade não convencional em materiais quânticos fortemente correlacionados e fenômenos magnéticos surpreendentes em óxidos de metais de transição. A determinação correta das impressões digitais quânticas subjacentes poderia colocar a pesquisa no caminho certo para compreender esses sistemas em um nível fundamental.