Pesquisadores descobrem novas bandas eletrônicas planas, abrindo caminho para materiais quânticos avançados.
Em um estudo publicado na Nature Communications em 19 de junho p.p., uma equipe de cientistas liderada por Qimiao Si, da Universidade Rice, prevê a existência de bandas eletrônicas planas no nível de Fermi, uma descoberta que pode 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 chamado de energia de Fermi.
Os elétrons, sendo carregados, repelem-se mutuamente e movem-se de maneiras correlacionadas. 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 está localizada longe da energia de Fermi, o que limita seu impacto nas propriedades do material”, disse Si, professor de Física e Astronomia da Rice e Olga K. Wiess. Normalmente, a energia de uma partícula muda com seu momento. Mas na mecânica quântica, os elétrons podem exibir interferência quântica, onde sua energia permanece plana mesmo quando seu momento muda. Estas são conhecidas como bandas planas.
“Bandas eletrônicas planas podem melhorar as interações eletrônicas, potencialmente criando novas fases quânticas e comportamentos incomuns de baixa energia”. Essas bandas são especialmente procuradas em íons de metais de transição chamados materiais d-elétrons com redes cristalinas específicas, onde muitas vezes mostram propriedades únicas. 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, onde partículas imóveis ganham mobilidade interagindo 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 permitir o efeito Kondo, permitindo-nos fazer progressos significativos”, disse Lei Chen, estudante de doutorado da Rice. Um atributo-chave das bandas planas é sua topologia. “As bandas planas fixadas à 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 os anyons são agentes promissores para qubits, e materiais que hospedam férmions de Weyl podem encontrar aplicações em eletrônica baseada em spin. O estudo também destaca o potencial desses materiais para 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 a temperaturas relativamente baixas, potencialmente operando em altas temperaturas ou mesmo temperatura ambiente. “Nosso trabalho fornece a base teórica para a utilização de bandas planas em ambientes fortemente interagindo para projetar e controlar novos materiais quânticos que operam além do reino de baixas temperaturas”, disse Si.
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