Transição quântica faz elétron se comportar como se não tivesse spin

Com informações da Agência Fapesp - 23/10/2019

Representação da estrutura cristalina do férmion pesado Ce3Pd20Si6. A transição quântica faz o elétron se comportar como se não tivesse spin.
[Imagem: Martelli et al. - 10.1073/pnas.1908101116]

Efeito Kondo

As transições de fase comuns são aquelas que ocorrem em função da variação de temperatura. Assim, o gelo muda de fase e se transforma em água líquida a 0º C e a água líquida muda de fase e se transforma em vapor a 100º C. Do mesmo modo, materiais magnéticos tornam-se não magnéticos em temperaturas críticas. Mas existem também transições de fase que independem da temperatura. Estas ocorrem nas vizinhanças do zero absoluto [-273,15° C] e estão associadas às flutuações quânticas.

Um estudo envolvendo experimentos em condições extremas de temperaturas ultrabaixas e intensos campos magnéticos, acompanhado de interpretação teórica dos resultados experimentais, explorou esse tipo de situação e investigou o ponto crítico quântico manifestando-se em uma transição bastante incomum.

"Verificamos e interpretamos evidências de dois pontos críticos quânticos sucessivos, associados a uma dupla ruptura do efeito Kondo," contou Julio Larrea, professor do Instituto de Física da USP.

Assim denominado em referência ao físico japonês Jun Kondo (nascido em 1930), o efeito Kondo explica a formação de férmions pesados em compostos metálicos baseados em elementos de terras-raras.

Nesses compostos, devido à sua forte correlação, os elétrons comportam-se coletivamente, formando um singleto (um coletivo de partículas distintas que se comportam como uma única partícula) que pode ser representado como o acoplamento do momento magnético localizado do íon da terra-rara com o elétron de condução em torno dele. Essa quase-partícula pode alcançar massas até milhares de vezes maiores do que a massa dos elétrons livres.

Metal estranho

No experimento realizado agora, o singleto foi rompido duas vezes, em duas ordens magnéticas: uma dipolar, resultante do momento magnético da quase-partícula; e outra quadrupolar, resultante da interação entre seus orbitais eletrônicos.

O experimento foi realizado com o férmion pesado Ce3Pd20Si6, um composto formado por cério (Ce), paládio (Pd) e silício (Si).

"O ponto de partida para essas transições são as fortes correlações que os elétrons têm em certos materiais. São elas que nos possibilitam entender esse tipo de mudança de estado. Há vários tipos de interação coletiva que podem afetar os elétrons. Um dos estados possíveis é o que chamamos de 'metal estranho'. Nos férmions pesados, o transporte dos elétrons é análogo ao dos metais comuns, mas os elétrons apresentam-se fortemente correlacionados e comportam-se, coletivamente, como se formassem uma única quase-partícula, que transporta a carga.

"Mas isso não acontece na transição de fase quântica. Por isso, o estado é chamado de 'estranho'. O que se observa experimentalmente é que as propriedades físicas, como a resistência elétrica, por exemplo, comportam-se de maneira completamente diferente daquela que apresentam no transporte eletrônico metálico clássico", explicou Larrea.

O fenômeno ocorre em temperaturas extremamente baixas, bem próximas do zero absoluto. Quando a temperatura diminui a esse ponto, as flutuações termodinâmicas nos metais estranhos praticamente desaparecem e o que se observa são flutuações quânticas. Elas constituem o "meio" no qual se manifestam as interações entre os elétrons.

O diagrama de fase mostra dois pontos críticos quânticos: no primeiro se rompe a ordem dipolar; no segundo se rompe a ordem quadrupolar.
[Imagem: Martelli et al. - 10.1073/pnas.1908101116]

"Esses materiais também possuem um momento magnético. Então, além de uma quase-partícula que transporta carga, também se associam a uma quase-partícula com momento magnético blindado pelos elétrons de condução. Cada momento magnético blindado pode estar acoplado a seu vizinho próximo na rede cristalina, produzindo uma ordem magnética em todo o material. No caso do Ce3Pd20Si6, essa ordem é do tipo antiferromagnética, o que equivale dizer que os momentos magnéticos na rede estão acoplados antiparalelamente. No ponto crítico quântico, essa ordem magnética pode ser suprimida sem a influência de um parâmetro de controle termodinâmico, mas por meio da aplicação de um campo magnético. O singleto Kondo se rompe. E o elétron que estava acoplado a essa ordem magnética simplesmente se separa," detalhou o pesquisador.

Isso não contradiz os fundamentos da mecânica quântica, mas é bastante diferente daquilo que se aprende nos textos básicos. Como o momento magnético é definido a partir do spin, a supressão da ordem magnética faz com que tudo se passe como se os elétrons ficassem desprovidos de spin. Com a novidade agora de que, além da ordem magnética dipolar, o material apresenta também uma ordem magnética quadrupolar, gerada pelos orbitais eletrônicos.

Supercondutividade

Os resultados do estudo são importantes também para o entendimento de outros problemas em aberto, por exemplo, o de saber como os elétrons se organizam coletivamente para produzir supercondutividade.

"É necessária uma ordem coletiva para produzir um longo alcance no transporte. Certos tipos de materiais com correlações fortes entre os elétrons podem proporcionar isso. Sabemos agora que essas correlações fortes podem ser suprimidas, para favorecer a formação de novos estados, que apresentam propriedades físicas mensuráveis, mesmo em temperaturas diferentes do zero absoluto," disse Larrea.

O próximo passo é estender a investigação da mudança das correlações entre elétrons com uso de outro parâmetro de controle, a pressão, para que, no futuro, seja possível chegar a um uso tecnológico desses conhecimentos, em domínios como, por exemplo, o da computação quântica.

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