Metal raro promete mudança revolucionária nos dispositivos quânticos do futuro, revela pesquisa

Cientistas quânticos descobriram um fenômeno raro que pode ser a chave para a criação de um “interruptor perfeito” em dispositivos quânticos que alternam entre ser um isolante e um supercondutor.

A pesquisa, liderada pela Universidade de Bristol e publicada na Science, descobriu que esses dois estados eletrônicos opostos existem no bronze púrpura, um metal unidimensional exclusivo composto de cadeias condutoras individuais de átomos.

Pequenas alterações no material, por exemplo, provocadas por um pequeno estímulo, como calor ou luz, podem desencadear uma transição instantânea de um estado isolante com condutividade zero para um supercondutor com condutividade ilimitada e vice-versa. Essa versatilidade polarizada, conhecida como “simetria emergente”, tem o potencial de oferecer uma chave liga/desliga ideal em futuros desenvolvimentos de tecnologia quântica.

O autor principal, Nigel Hussey, professor de Física da Universidade de Bristol, disse: “É uma descoberta realmente empolgante que pode proporcionar um interruptor perfeito para os dispositivos quânticos do futuro.

“A notável jornada começou há 13 anos em meu laboratório, quando dois alunos de doutorado, Xiaofeng Xu e Nick Wakeham, mediram a magnetorresistência – a mudança na resistência causada por um campo magnético – do bronze roxo.”

Na ausência de um campo magnético, a resistência do bronze púrpura era altamente dependente da direção em que a corrente elétrica era introduzida. Sua dependência de temperatura também era bastante complicada. Por volta de temperatura ambiente, a resistência é metálica, mas à medida que a temperatura é reduzida, isso se inverte e o material parece estar se transformando em um isolante. Em seguida, nas temperaturas mais baixas, a resistência cai novamente à medida que ele se transforma em um supercondutor.

Apesar dessa complexidade, surpreendentemente, descobriu-se que a magnetorresistência era extremamente simples. Ela era essencialmente a mesma, independentemente da direção em que a corrente ou o campo estivesse alinhado, e seguia uma dependência linear perfeita da temperatura, desde a temperatura ambiente até a temperatura de transição supercondutora.

“Não encontrando nenhuma explicação coerente para esse comportamento intrigante, os dados ficaram inativos e não foram publicados nos sete anos seguintes. Um hiato como esse é incomum em pesquisa quântica, embora o motivo não tenha sido a falta de estatísticas”, explicou o Prof.

“Tal simplicidade na resposta magnética invariavelmente esconde uma origem complexa e, como se vê, sua possível resolução só aconteceria por meio de um encontro casual.”

Em 2017, o Prof. Hussey estava trabalhando na Universidade de Radboud e viu anunciado um seminário do físico Dr. Piotr Chudzinski sobre o tema bronze púrpura. Na época, poucos pesquisadores estavam dedicando um seminário inteiro a esse material pouco conhecido, então seu interesse foi despertado.

O Prof. Hussey disse: “No seminário, Chudzinski propôs que a reviravolta resistiva pode ser causada pela interferência entre os elétrons de condução e as partículas compostas elusivas conhecidas como excitons escuros. Conversamos após o seminário e, juntos, propusemos um experimento para testar sua teoria. Nossas medições subsequentes basicamente a confirmaram.”

Animado com esse sucesso, o Prof. Hussey ressuscitou os dados de magnetorresistência de Xu e Wakeham e os mostrou ao Dr. Chudzinski. As duas características centrais dos dados – a linearidade com a temperatura e a independência da orientação da corrente e do campo – intrigaram Chudzinski, assim como o fato de que o próprio material poderia apresentar comportamento isolante e supercondutor, dependendo de como o material foi cultivado.

O Dr. Chudzinski questionou se, em vez de se transformar completamente em um isolante, a interação entre os portadores de carga e os excitons que ele havia introduzido anteriormente poderia fazer com que os primeiros gravitassem em direção ao limite entre os estados isolante e supercondutor à medida que a temperatura fosse reduzida. No próprio limite, a probabilidade de o sistema ser um isolante ou um supercondutor é essencialmente a mesma.

Hussey disse: “Essa simetria física é um estado incomum de coisas e desenvolver essa simetria em um metal à medida que a temperatura é reduzida, daí o termo ‘simetria emergente’, constituiria uma novidade mundial”.

Os físicos são bem versados no fenômeno da quebra de simetria: redução da simetria de um sistema de elétrons após o resfriamento. A complexa disposição das moléculas de água em um cristal de gelo é um exemplo dessa quebra de simetria. Mas o inverso é uma ocorrência extremamente rara, se não única. Voltando à analogia água/gelo, é como se, ao esfriar ainda mais o gelo, a complexidade dos cristais de gelo “derretesse” novamente em algo tão simétrico e suave quanto a gota de água.

O Dr. Chudzinski, que agora é pesquisador da Queen’s University Belfast, disse: “Imagine um truque de mágica em que uma figura sem graça e distorcida se transforma em uma esfera linda e perfeitamente simétrica. Essa é, em poucas palavras, a essência da simetria emergente. A figura em questão é nosso material, o bronze púrpura, enquanto nosso mágico é a própria natureza.”

Para testar ainda mais se a teoria era válida, outros 100 cristais individuais, alguns isolantes e outros supercondutores, foram investigados por outro aluno de doutorado, Maarten Berben, que trabalha na Universidade de Radboud.

O Prof. Hussey acrescentou: “Depois do esforço hercúleo de Maarten, a história ficou completa e o motivo pelo qual diferentes cristais exibiam estados fundamentais tão diferentes ficou evidente. Olhando para o futuro, talvez seja possível explorar essa ‘irregularidade’ para criar interruptores em circuitos quânticos em que estímulos minúsculos induzem mudanças profundas, de ordem de magnitude, na resistência do interruptor.”