Investigadores quantificam o efeito Kondo em materiais reais com cálculos quânticos

O efeito Kondo é um dos fenómenos mais importantes da física quântica e descreve a estranha interferência que os átomos magnéticos podem provocar nos metais.

Normalmente, os metais conduzem melhor a eletricidade à medida que arrefecem, uma vez que a redução de energia permite que os eletrões circulem com maior facilidade. No entanto, basta acrescentar um ou dois átomos magnéticos para que, abaixo de uma determinada temperatura, conhecida como temperatura de Kondo, a resistência elétrica volte a aumentar.

Quantificar o efeito Kondo num material real

Este fenómeno é o efeito Kondo, sobre o qual já existe bastante conhecimento. Agora, pela primeira vez na física, investigadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e da Universidade de Yale, nos Estados Unidos, conseguiram quantificá-lo com precisão num material real, recorrendo a cálculos baseados na física fundamental.

O trabalho, publicado na revista Science, representa um avanço significativo. Até aqui, os cientistas tinham de recorrer a experiências com materiais reais e a modelos simplificados para determinar o efeito Kondo, sem obter previsões tão precisas como as do novo método.

«Agora é possível prever as propriedades de alguns materiais complexos apenas através de cálculos computacionais, sem recorrer a experiências», afirma Garnet Chan, físico da Caltech.

Os cientistas já sabem o que está na origem do efeito Kondo. Os eletrões concentram-se em torno das impurezas magnéticas presentes no metal, anulando o magnetismo dos átomos e, ao mesmo tempo, dificultando a passagem da corrente elétrica.

«Essa é a assinatura do efeito Kondo e é uma propriedade dos eletrões da impureza que interagem com os eletrões que atravessam o metal», explica Chan.

Como modelar as interações entre eletrões

Compreender o que acontece, porém, não é o mesmo que conseguir modelá-lo com total precisão. As interações entre eletrões neste «problema de muitos corpos» são tão complexas que é muito difícil prever a temperatura a que a resistência começa a inverter a tendência para diferentes combinações de metais e impurezas magnéticas.

À medida que o efeito Kondo se manifesta nestes materiais, as temperaturas, os spins dos eletrões e o magnetismo interagem a escalas extremamente pequenas. O problema ultrapassa em muito a capacidade até dos supercomputadores mais potentes.

Para contornar estas dificuldades, a equipa adotou uma abordagem a partir de primeiros princípios. Os investigadores recorreram a técnicas da química para modelar de forma mais completa um único átomo magnético, sem simplificações, como se fosse uma molécula maior.

Com a ajuda de alguns atalhos matemáticos e de muito tempo de computação, aplicaram depois as leis básicas da física quântica ao átomo magnético assim modelado, repetindo os cálculos sucessivamente para afinar as previsões.

Ao compararem os resultados da modelação com medições laboratoriais do efeito Kondo, os investigadores demonstraram o elevado grau de precisão do seu sistema de previsão. Em alguns casos, a nova abordagem foi 100 vezes mais precisa do que os modelos simplificados atuais.

O efeito Kondo e os materiais quânticos complexos

Neste estudo, a equipa escolheu os exemplos mais básicos de combinações de metais e átomos magnéticos. No futuro, porém, poderá ser possível estudar materiais cada vez mais complexos.

«Estes primeiros materiais que estudámos são como um pequeno passo, ou um problema protótipo, no caminho para fenómenos mais complexos, como os supercondutores de alta temperatura e os ímanes quânticos», afirma Chan.

Métodos de previsão melhores permitem aos cientistas desenvolver e investigar com maior confiança materiais como os supercondutores, que prometem transformar os sistemas utilizados nas redes elétricas e na computação em grande escala.

Os materiais com maior potencial são também, geralmente, aqueles em que os eletrões apresentam comportamentos mais complexos. É neste domínio que os métodos usados no estudo poderão ser úteis.

Ainda há muito progresso a fazer, mas, agora que a abordagem demonstrou funcionar, os investigadores podem começar a aplicá-la a problemas de maior escala. Isso dará aos cientistas uma ferramenta para estudar comportamentos complexos de materiais quânticos sem terem de obter primeiro dados laboratoriais.

«Vivemos uma época empolgante, em que descrições quânticas preditivas e fiéis de toda a complexidade química dos materiais reais começam a estar ao nosso alcance», afirma Linqing Peng, químico da Caltech.

«Está a tornar-se realista prever, a partir de primeiros princípios, o comportamento dos eletrões correlacionados específico de cada material, mesmo em algumas das classes de materiais quânticos mais difíceis de estudar.»

A investigação foi publicada na revista Science.

Este artigo foi verificado e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, também somos humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.