O comportamento dos chamados "metais estranhos" há muito intriga os cientistas - mas um grupo de pesquisadores da Universidade de Toronto pode estar um passo mais perto de entender esses materiais.

Os elétrons são partículas subatômicas discretas que fluem através de fios como moléculas de água fluindo por um cano. O fluxo é conhecido como eletricidade e é aproveitado para alimentar e controlar tudo, desde lâmpadas até o Grande Colisor de Hádrons.

Na matéria quântica, ao contrário, os elétrons não se comportam como nos materiais normais. Eles são muito mais fortes e as quatro propriedades fundamentais dos elétrons – carga, spin, órbita e rede – se entrelaçam, resultando em estados complexos da matéria.

"Na matéria quântica, os elétrons perdem seu caráter de partícula e exibem um comportamento coletivo estranho", diz o físico de matéria condensada Arun Paramekanti, professor do departamento de física da U of T na Faculdade de Artes e Ciências. "Esses materiais são conhecidos como líquidos não-Fermi, nos quais as regras simples são quebradas."

Agora, três pesquisadores do departamento de física da universidade e do Centro de Informação Quântica e Controle Quântico (CQIQC) desenvolveram um modelo teórico que descreve as interações entre partículas subatômicas em líquidos não-Fermi. A estrutura expande os modelos existentes e ajudará os pesquisadores a entender o comportamento desses " metais estranhos ".

Sua pesquisa foi publicada na revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) . O autor principal é Ph.D. em física. estudante Andrew Hardy, com os co-autores Paramekanti e o pesquisador de pós-doutorado Arijit Haldar.

"Sabemos que o fluxo de um fluido complexo como o sangue pelas artérias é muito mais difícil de entender do que a água pelos canos", diz Paramekanti. "Da mesma forma, o fluxo de elétrons em líquidos não-Fermi é muito mais difícil de estudar do que em metais simples."

Hardy acrescenta: "O que fizemos foi construir um modelo, uma ferramenta, para estudar o comportamento de líquidos não-Fermi. E, especificamente, para lidar com o que acontece quando há quebra de simetria, quando há uma transição de fase para um novo tipo de sistema."

"Quebra de simetria" é o termo usado para descrever um processo fundamental encontrado em toda a natureza. A simetria quebra quando um sistema – seja uma gota de água ou o universo inteiro – perde sua simetria e homogeneidade e se torna mais complexo.

Por exemplo, uma gota de água é simétrica, independentemente de sua orientação - gire-a em qualquer direção e ela parecerá a mesma. Mas sua simetria é quebrada quando passa por uma transição de fase e congela em um cristal de gelo. Como um floco de neve, ainda é simétrico, mas apenas em seis direções diferentes.

A mesma coisa aconteceu com todas as partículas e forças subatômicas após o Big Bang. Com o nascimento explosivo do cosmos, todas as partículas e todas as forças eram as mesmas, mas a quebra de simetria imediatamente as transformou nas múltiplas partículas e forças que vemos no cosmos hoje.

“A quebra de simetria em líquidos não-Fermi é muito mais complicada de estudar porque não existe uma estrutura abrangente para trabalhar com líquidos não-Fermi”, diz Hardy. "Descrever como ocorre essa quebra de simetria é difícil de fazer."

Em um líquido não-Fermi, as interações entre os elétrons tornam-se muito mais fortes quando as partículas estão à beira da quebra de simetria. Assim como uma bola parada no topo de uma colina, um empurrão muito suave para um lado ou para o outro a enviará em direções opostas.

A nova pesquisa fornece informações sobre essas transições em líquidos não-Fermi e pode levar a novas maneiras de ajustar e controlar as propriedades dos materiais quânticos. Embora ainda seja um sério desafio para os físicos, o trabalho é importante para os novos materiais quânticos que podem moldar a próxima geração da tecnologia quântica.

Essas tecnologias incluem supercondutores de alta temperatura que alcançam resistência zero em temperaturas muito próximas à temperatura ambiente, tornando-os muito mais práticos e úteis. Existem também dispositivos de grafeno – tecnologias baseadas em camadas espessas de um átomo de átomos de carbono que têm uma miríade de aplicações eletrônicas.

“Os materiais quânticos exibem um fluxo incomum de elétrons e tipos complexos de quebra de simetria que podem ser controlados e ajustados”, diz Hardy. “É emocionante para nós poder fazer previsões teóricas para tais sistemas que podem ser testados em novos experimentos no laboratório”.