Novo estudo revela fases quânticas coexistentes no tritelureto de érbio

Os computadores quânticos já existem, mas continuam a ser altamente especializados, pouco práticos e capazes de explorar apenas uma pequena parte do potencial de desempenho que os cientistas acreditam que esta tecnologia poderá, um dia, revelar.

Os materiais quânticos podem albergar vários estados eletrónicos concorrentes, e perceber como esses estados se formam é um desafio antigo. É nesse contexto que surge um novo estudo publicado na Nature Physics.

Uma equipa internacional de investigadores analisou a forma como duas fases de ondas de densidade de carga (CDW) podem surgir e coexistir no mesmo material.

Os cientistas recorrem a estas fases relativamente simples do comportamento eletrónico como modelo para compreender a competição entre fases em materiais quânticos mais complexos, incluindo materiais que apresentam supercondutividade e magnetismo.

"Tal como a supercondutividade, as ondas de densidade de carga são fenómenos coletivos, nos quais os eletrões se movem em conjunto de determinadas formas", afirma o físico Yifan Su, do MIT.

"A força das CDW está no facto de serem uma forma de matéria muito mais simples do que a supercondutividade. Funcionam como um campo de testes para a compreensão fundamental."

Ondas de densidade de carga no tritelureto de érbio

Para a experiência, os investigadores escolheram o tritelureto de érbio, um material que já se sabia ser capaz de conter simultaneamente duas ordens de CDW - ou seja, diferentes padrões de densidade eletrónica que influenciam o comportamento do material - definindo duas fases quânticas.

O tritelureto de érbio desenvolve uma CDW dominante abaixo de cerca de –8 °C (18 °F). Uma segunda CDW surge abaixo de aproximadamente −113 °C (–171 °F) e percorre o cristal perpendicularmente à primeira, formando um padrão de "tabuleiro de xadrez".

Estas CDW concorrentes, embora coexistentes, só aparecem a temperaturas tão baixas e são difíceis de estudar num estado normal de equilíbrio.

"Há muito que se debate o mecanismo responsável pelo aparecimento desta segunda fase, e a nossa abordagem oferece uma nova e poderosa forma de revelar a física oculta por detrás das transições de fase em materiais quânticos", afirma o físico Nuh Gedik, do MIT.

Pulsos de laser revelam a competição entre fases quânticas

Para observar diretamente o que acontecia, a equipa aplicou uma combinação de dois pulsos laser curtos e intensos.

O primeiro pulso perturbou o "tabuleiro de xadrez" formado pelas fases eletrónicas cruzadas, obrigando-as a reorganizar-se. O segundo pulso serviu para medir a reconstrução das CDW.

A primeira fase, a dominante, reapareceu como os investigadores esperavam: de forma progressiva e uniforme. Já a segunda apresentou um comportamento mais invulgar, regressando em regiões isoladas que depois se propagaram pelo material, à semelhança dos cristais de gelo que surgem quando a água congela.

No essencial, os resultados indicam que as duas fases de CDW se formam através de mecanismos fundamentalmente distintos.

"Uma das maiores questões da física é perceber porque é que alguns materiais apresentam múltiplas fases, enquanto outros não", afirma Gedik.

"E, quando existem várias fases, como interagem entre si? Reforçam-se mutuamente, competem ou coexistem de forma independente?"

Porque as fases dos materiais quânticos são importantes

Para quem não é físico, a relevância pode não ser imediatamente evidente. Contudo, são estas fases que tornam os materiais quânticos tão especiais - e potencialmente tão úteis. Conhecê-las melhor poderá, em última análise, ajudar a compreender como iniciá-las e controlá-las.

"Em sistemas muito mais complexos, como os supercondutores de alta temperatura, observa-se a presença de múltiplas fases - magnetismo, supercondutividade, ondas de densidade de carga - e todas coexistem", afirma Gedik.

"Uma das teorias defende que a forma como interagem entre si é determinante para as suas propriedades exóticas. As lições que retiramos aqui podem ser aplicadas a materiais muito mais complexos."

Segundo os investigadores, estudos futuros poderão analisar esses materiais mais complexos com a mesma abordagem baseada em pulsos laser, revelando mais sobre a forma como os materiais quânticos desenvolvem as suas características.

Isto também poderá ter utilidade na eletrónica: mais adiante, talvez seja possível substituir os chips de silício dos sistemas convencionais por materiais diferentes e superiores, mas apenas se conseguirmos fabricá-los e controlá-los com uma precisão muito específica.

"As pessoas acreditam que a base para substituir o silício está em materiais quânticos com múltiplas fases coexistentes", afirma o físico Alfred Zong, que co-liderou o estudo enquanto estudante de pós-graduação no MIT e trabalha atualmente na Universidade de Stanford.

"A nossa experiência proporciona uma forma muito elegante de estudar estas múltiplas fases."

A investigação foi publicada na Nature Physics.

Este artigo foi verificado por Rebecca Dyer e editado por Rebecca Dyer. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.