Cientistas quânticos descobriram um fenômeno no bronze roxo, um metal unidimensional, que permite alternar entre estados isolantes e supercondutores. Esta mudança, causada por estímulos mínimos, como calor ou luz, é devida à “simetria emergente”. Esta descoberta pioneira, que começou com pesquisas sobre a magnetorresistência do metal, poderia levar ao desenvolvimento de interruptores perfeitos em dispositivos quânticos, um marco potencial na tecnologia quântica.

Cientistas quânticos descobriram um fenômeno no bronze roxo que pode ser a chave para o desenvolvimento da “troca perfeita” em dispositivos quânticos que alternam entre ser um isolante e um supercondutor.

Pesquisa realizada pela Universidade de Bristol e publicada em CiênciasEsses dois estados eletrônicos opostos são encontrados no bronze roxo, um metal unidimensional único composto por cadeias de átomos condutores individuais.

Por exemplo, pequenas alterações num material, desencadeadas 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. Esta diversidade de polarização, conhecida como “simetria emergente”, tem o potencial de fornecer um interruptor liga/desliga perfeito em futuros desenvolvimentos de tecnologia quântica.

A imagem mostra uma representação de simetria emergente, mostrando uma gota de água perfeitamente simétrica emergindo de uma camada de gelo. Em contraste, os cristais de gelo na neve têm uma forma complexa e, portanto, são menos simétricos do que uma gota d’água. A cor roxa indica o material bronze-púrpura no qual esse fenômeno foi descoberto. Crédito: Universidade de Bristol

Uma jornada de 13 anos

O autor principal Nigel Hussey, professor de física na Universidade de Universidade de Bristol“É uma descoberta realmente emocionante que pode fornecer uma chave perfeita para futuros dispositivos quânticos”, disse ele.

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

Na ausência de campo magnético, a resistência do bronze roxo dependia muito da direção de entrada da corrente elétrica. A sua dependência da temperatura também era complexa. À temperatura ambiente, a resistividade é metálica, mas à medida que a temperatura diminui, isso se inverte e o material parece se transformar em um isolante. Então, nas temperaturas mais baixas, a resistência diminui novamente à medida que se transforma em um supercondutor. Apesar desta complexidade, a magnetorresistência é surpreendentemente simples. Era essencialmente o mesmo, independentemente da direção em que a corrente ou campo estava alinhado e seguia uma dependência linear perfeita da temperatura desde a temperatura ambiente até a temperatura de transição supercondutora.

“Nenhuma explicação coerente foi encontrada para esse comportamento intrigante, e os dados permaneceram inativos e não publicados pelos próximos sete anos. Uma lacuna como essa é incomum na pesquisa quântica, embora a razão para isso não tenha sido a falta de estatísticas”, disse o professor Hussey. explicou.

“Tal simplicidade na resposta magnética esconde sempre uma origem complexa e, como se constata, a sua solução potencial só surgirá através de um encontro casual.”

Um encontro casual leva a uma descoberta

Em 2017, o professor Hussey estava trabalhando na Radboud University e viu um anúncio de um seminário do físico Dr. Piotr Chudzinski sobre o tema bronze roxo. Na época, poucos pesquisadores dedicariam um simpósio inteiro a essa substância desconhecida, por isso seu interesse foi despertado.

O professor Hussey disse:”No simpósio, Chudzinski sugeriu que a alta resistência pode ser causada pela interferência entre elétrons de condução e partículas compostas indescritíveis conhecidas como ‘excitons escuros’. Conversamos após o simpósio e juntos propusemos um experimento para testar sua teoria. Nosso medições subsequentes essencialmente confirmaram isso.”

Graças a este sucesso, o professor Hussey reviveu os dados de magnetorresistência de Shaw e Wakeham e os apresentou ao Dr. Chudzinski. Duas características principais dos dados – linearidade com a temperatura e independência da direção e campo da corrente – intrigaram Chudzinski, assim como o fato de que o mesmo material pode exibir comportamento isolante e supercondutor dependendo de como o material cresce.

Chudzinski se perguntou se a interação entre portadores de carga e excitons que ele apresentou anteriormente, em vez de se converter inteiramente em isolante, poderia fazer com que os primeiros gravitassem em direção à fronteira entre os estados isolante e supercondutor à medida que a temperatura diminui. Nos mesmos limites, a probabilidade de um sistema ser um isolante ou um supercondutor é essencialmente a mesma.

O professor Hussey disse: “Tal simetria física é um estado incomum, e desenvolver tal simetria em um metal à medida que a temperatura diminui, daí o termo ‘simetria emergente’, constituiria uma inovação mundial.”

Os físicos estão bem familiarizados com o fenômeno da quebra de simetria: a diminuição da simetria de um sistema eletrônico durante o resfriamento. O complexo arranjo das moléculas de água em um cristal de gelo é um exemplo dessa simetria quebrada. Mas o oposto é um evento extremamente raro, senão único. Voltando à analogia água/gelo, é como se depois que o gelo esfriasse ainda mais, a complexidade dos cristais de gelo “derretesse” novamente em algo consistente e suave como uma gota d’água.

Simetria emergente: um fenômeno raro

Dr. Chudzinski, agora pesquisador da Queen’s University Belfast, disse: “Imagine um truque de mágica onde uma forma distorcida e opaca é transformada em uma esfera bonita e perfeitamente simétrica. Esta, em suma, é a essência da simetria emergente. A pessoa em questão é o nosso material, o bronze roxo, enquanto o nosso mágico é a própria natureza.”

Para testar ainda mais se a teoria contém água, mais 100 cristais individuais, alguns isolantes e outros supercondutores, foram examinados por outro estudante de doutoramento, Martin Berbin, que trabalha na Universidade Radboud.

O professor Hussey acrescentou: “Após os esforços titânicos de Martin, a história está completa e a razão pela qual diferentes cristais parecem ter estados fundamentais tão diferentes torna-se clara. Olhando para o futuro, pode ser possível explorar esta ‘novidade’ para criar interruptores em circuitos quânticos onde pequenos estímulos desencadeiam mudanças profundas e de grande magnitude na resistência de comutação.

Referência: “Simetria emergente em um supercondutor de baixa dimensão na borda de Mottness” por P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S. Weidman, B. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt, NE Hussey, 16 de novembro de 2023, Ciências.
doi: 10.1126/science.abp8948