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Num estudo publicado em Comunicações da Natureza 19 de junho, uma equipe de cientistas liderada por Qimiao Si, da Universidade Rice, prevê a existência de bandas eletrônicas planas no nível Fermi, uma descoberta que poderia permitir novas formas de computação quântica e dispositivos eletrônicos.
Os materiais quânticos são regidos pelas regras da mecânica quântica, onde os elétrons ocupam estados de energia únicos. Esses estados formam uma escada com o degrau mais alto chamada energia de Fermi.
Os elétrons, sendo carregados, se repelem e se movem de maneira correlacionada. A equipe de Si descobriu que as interações eletrônicas podem criar novas bandas planas no nível de Fermi, aumentando sua importância.
“A maioria das bandas planas estão localizadas longe da energia de Fermi, o que limita o seu impacto nas propriedades do material”, disse Si, professor de Física e Astronomia Harry C. e Olga K. Wiess em Rice.
Normalmente, a energia de uma partícula muda com o seu momento. Mas na mecânica quântica, os elétrons podem apresentar interferência quântica, onde a sua energia permanece plana mesmo quando o seu momento muda. Estas são conhecidas como bandas planas.
“As bandas eletrônicas planas podem melhorar as interações eletrônicas, criando potencialmente novas fases quânticas e comportamentos incomuns de baixa energia”, disse Si.
Essas bandas são especialmente procuradas em íons de metais de transição chamados materiais de elétrons d com redes cristalinas específicas, onde geralmente apresentam propriedades únicas, disse Si.
As descobertas da equipe sugerem novas maneiras de projetá-los, o que poderia inspirar novas aplicações para esses materiais em bits quânticos, qubits e spintrônica. Sua pesquisa mostra que as interações eletrônicas podem ligar estados de elétrons imóveis e móveis.
Usando um modelo teórico, os pesquisadores demonstraram que essas interações podem criar um novo tipo de efeito Kondo, onde partículas imóveis ganham mobilidade ao interagir com elétrons móveis na energia de Fermi. O efeito Kondo descreve o espalhamento de elétrons de condução em um metal devido a impurezas magnéticas, resultando em uma mudança característica na resistividade elétrica com a temperatura.
“A interferência quântica pode ativar o efeito Kondo, permitindo-nos fazer progressos significativos”, disse Lei Chen, Ph.D. estudante da Rice.
Um atributo chave das bandas planas é a sua topologia, disse Chen. “As bandas planas fixadas na energia de Fermi fornecem um meio de realizar novos estados quânticos da matéria”, disse ele.
A pesquisa da equipe revela que isso inclui anyons e férmions de Weyl, ou quasipartículas e férmions sem massa que carregam uma carga elétrica. Os pesquisadores descobriram que anyons são agentes promissores para qubits, e os materiais que hospedam férmions de Weyl podem encontrar aplicações na eletrônica baseada em spin.
O estudo também destaca o potencial desses materiais de serem muito responsivos a sinais externos e capazes de controle quântico avançado. Os resultados indicam que as bandas planas podem levar a semimetais topológicos fortemente correlacionados em temperaturas relativamente baixas, potencialmente operando em altas temperaturas ou mesmo em temperatura ambiente.
“Nosso trabalho fornece a base teórica para utilizar bandas planas em ambientes de forte interação para projetar e controlar novos materiais quânticos que operam além do reino de baixas temperaturas”, disse Si.
Os colaboradores para esta pesquisa incluem Fang Xie e Shouvik Sur, associados de pós-doutorado de Rice em física e astronomia; Haoyu Hu, ex-aluno de Rice e pós-doutorado no Donostia International Physics Center; Silke Paschen, física da Universidade de Tecnologia de Viena; e Jennifer Cano, física teórica da Stony Brook University e do Flatiron Institute.
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