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Os físicos da Rice University mostraram que estados topológicos imutáveis, que são altamente procurados para a computação quântica, podem ser emaranhados com outros estados quânticos manipuláveis em alguns materiais.
“O surpreendente que descobrimos é que em um tipo particular de rede cristalina, onde os elétrons ficam presos, o comportamento fortemente acoplado dos elétrons em orbitais atômicos d realmente age como os sistemas orbitais f de alguns férmions pesados”, disse Qimiao Si, co- autor de um estudo sobre a pesquisa em Avanços da ciência.
A descoberta inesperada fornece uma ponte entre os subcampos da física da matéria condensada que se concentraram em propriedades emergentes diferentes de materiais quânticos. Em materiais topológicos, por exemplo, padrões de emaranhamento quântico produzem estados “protegidos” imutáveis que podem ser usados para computação quântica e spintrônica. Em materiais fortemente correlacionados, o emaranhamento de bilhões e bilhões de elétrons dá origem a comportamentos como supercondutividade não convencional e flutuações magnéticas contínuas em líquidos de spin quântico.
No estudo, Si e o co-autor Haoyu Hu, um ex-aluno de pós-graduação em seu grupo de pesquisa, construíram e testaram um modelo quântico para explorar o acoplamento de elétrons em um arranjo de rede “frustrado” como os encontrados em metais e semimetais que apresentam “bandas planas ”, afirma onde os elétrons ficam presos e os efeitos fortemente correlacionados são amplificados.
A pesquisa faz parte de um esforço contínuo de Si, que ganhou uma bolsa do Departamento de Defesa de Vannevar Bush em julho para buscar a validação de uma estrutura teórica para controlar os estados topológicos da matéria.
No estudo, Si e Hu mostraram que os elétrons dos orbitais atômicos d podem se tornar parte de orbitais moleculares maiores que são compartilhados por vários átomos na rede. A pesquisa também mostrou que elétrons em orbitais moleculares podem se emaranhar com outros elétrons frustrados, produzindo efeitos fortemente correlacionados que eram muito familiares para Si, que passou anos estudando materiais de férmions pesados.
“Estes são sistemas completamente d-elétrons”, disse Si. “No mundo d-elétron, é como se você tivesse uma rodovia com várias pistas. No mundo f-elétron, você pode pensar em elétrons se movendo em duas camadas. Uma é como a rodovia d-elétron e a outra é como uma estrada de terra, onde o movimento é muito lento.”
Si disse que os sistemas de elétrons-f hospedam exemplos muito claros de física fortemente correlacionada, mas não são práticos para o uso diário.
“Esta estrada de terra fica muito longe da rodovia”, disse ele. “A influência da rodovia é muito pequena, o que se traduz em uma escala de energia minúscula e física de temperatura muito baixa. O que significa que você precisa ir a temperaturas em torno de 10 Kelvin ou mais para ver os efeitos do acoplamento.
“Esse não é o caso no mundo d-elétron. As coisas se encaixam de maneira bastante eficiente na rodovia de múltiplas pistas de lá.”
E essa eficiência de acoplamento persiste, mesmo quando há uma banda plana. Si comparou isso a uma das faixas da rodovia tornando-se tão ineficiente e lenta quanto a estrada de terra f-elétron.
“Mesmo quando se transforma em uma estrada de terra, ainda compartilha status com as outras pistas, porque todas vieram do orbital d”, disse Si. “É efetivamente uma estrada de terra, mas é muito mais fortemente acoplada, e isso se traduz em física em temperaturas muito mais altas.
“Isso significa que posso ter toda a física requintada baseada em elétrons f, para a qual tenho modelos bem definidos e muita intuição de anos de estudo, mas em vez de ter que ir para 10 Kelvin, posso potencialmente trabalhar em, digamos, 200 Kelvin, ou possivelmente até 300 Kelvin, ou temperatura ambiente. Portanto, do ponto de vista da funcionalidade, é extremamente promissor.”
Si é o professor Harry C. e Olga K. Wiess de física e astronomia na Rice, membro da Rice Quantum Initiative e diretor do Rice Center for Quantum Materials (RCQM).
A pesquisa foi financiada pelo Departamento de Energia (SC0018197), pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-21-1-0356), pela Fundação Welch (C-1411) e recebeu apoio por meio de instalações computacionais e visitas da National Science Foundation (1607611, 0216467, 1338099, DMR160057).
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