A
radiação Terahertz é usada para analisar o material. Crédito: TU Wien
Em um novo estudo,
físicos americanos e austríacos observaram emaranhamento quântico entre “bilhões
de bilhões” de elétrons fluindo em um material crítico quântico.
A
pesquisa, publicada na Science, examinou o comportamento eletrônico
e magnético de um "metal estranho" composto de itérbio, ródio e
silício, ao se aproximar e passar por uma transição crítica na fronteira entre
duas fases quânticas bem estudadas.
O
estudo da Universidade Rice e da Universidade de Tecnologia de Viena (TU Wien) fornece a evidência direta mais
forte até o momento, do papel do emaranhamento em promover a criticidade
quântica.
”Quando pensamos em entrelaçamento
quântico, pensamos em coisas pequenas. Não o associamos a objetos
macroscópicos. Mas, em um ponto quântico crítico, as coisas são tão coletivas
que temos a chance de ver os efeitos do emaranhamento, mesmo em um filme
metálico que contém bilhões de bilhões de objetos da mecânica quântica", afirmou Qimiao Si, da Universidade Rice.
Qimiao Si passou mais de duas décadas
estudando o que acontece quando materiais como metais estranhos e
supercondutores de alta temperatura alteram as fases quânticas. Uma melhor
compreensão desses materiais pode abrir as portas para novas tecnologias em computação,
comunicações e muito mais.
A
equipe internacional superou vários desafios para obter o resultado. Os
pesquisadores desenvolveram uma técnica de síntese de materiais altamente
complexa para produzir filmes ultrapuros contendo uma parte de itérbio para cada
duas partes de ródio e silício (YbRh2Si2). À
temperatura do zero absoluto, o material passa por uma transição de uma fase
quântica que forma uma ordem magnética para outra que não.
Na Universidade Rice, foram feitos experimentos de espectroscopia terahertz
nos filmes em temperaturas tão baixas quanto 1,4 Kelvin. As medições de
terahertz revelaram a condutividade óptica dos filmes YbRh2Si2,
quando eles foram resfriados a um ponto quântico crítico que marcou a transição
de uma fase quântica para outra.
“Com metais estranhos, há uma conexão
incomum entre resistência elétrica e temperatura”, disse Silke Bühler-Paschen, do Instituto de Física do Estado Sólido
da TU Wien. “Ao
contrário de metais simples como cobre ou ouro, isso não é observado devido ao
movimento térmico dos átomos, mas para flutuações quânticas na temperatura do
zero absoluto".
Para
medir a condutividade óptica, utilizou-se radiação eletromagnética coerente na
faixa de terahertz no topo dos filmes e analisou-se a quantidade de raios
terahertz que passavam em função da frequência e da temperatura. Os
experimentos revelaram "escala de frequência acima da temperatura",
um sinal revelador da criticidade quântica, disseram os autores.
Kono,
engenheiro e físico da Brown
School of Engineering de Rice, disse que as medições são meticulosas. Por exemplo,
apenas uma fração da radiação terahertz que brilhou na amostra passou para o
detector, e a medição importante foi quanto essa fração aumentou ou diminuiu em
diferentes temperaturas.
“Menos de 0,1% da radiação total
terahertz foi transmitida e o sinal, que era a variação da condutividade em
função da frequência, representava mais alguns por cento disso”, disse Kono. “Demorou
muitas horas para coletar dados confiáveis em cada temperatura para obter uma média
de muitas, muitas medições, e foi necessário coletar dados em muitas, muitas
temperaturas para provar a existência de escala”.
Fazer
os filmes foi ainda mais desafiador. Para torná-los finos o suficiente
para transmitir raios terahertz, a equipe desenvolveu um sistema exclusivo de
epitaxia por feixe molecular e um procedimento elaborado de crescimento. O
itérbio, o ródio e o silício foram simultaneamente evaporados de fontes
separadas na proporção exata de 1-2-2. Devido à alta energia necessária
para evaporar o ródio e o silício, o sistema exigia uma câmara de vácuo
ultra-alta personalizada com dois evaporadores de feixe de elétrons.
“Nosso curinga foi encontrar o substrato
perfeito: germânio”,
disse Lukas
Prochaska, estudante da
TU Wien, co-autor do estudo. O germânio era transparente a terahertz e
tinha “certas distâncias atômicas (praticamente) idênticas àquelas entre
os átomos de itérbio em YbRh2Si2, o que explica a
excelente qualidade dos filmes”, disse ele.
Qimiao Si lembrou de discutir o experimento
com Bühler-Paschen há mais de 15 anos, quando eles estavam explorando os meios
para testar uma nova classe de ponto crítico quântico. A marca do ponto crítico
quântico que eles estavam avançando com colegas de trabalho é que o
emaranhamento quântico entre spins e cargas é crítico.
“Em um ponto crítico quântico magnético,
a sabedoria convencional determina que apenas o setor de spin será crítico”, disse ele. “Mas
se os setores de cargas e spins são quanticamente emaranhados, o setor de cargas
também acabará sendo crítico”.
Na
época, a tecnologia não estava disponível para testar a hipótese, mas em 2016 a
situação havia mudado. TU Wien podia cultivar os filmes, Rice havia
recentemente instalado um poderoso microscópio que os examinava quanto a
defeitos e Kono possuía o espectrômetro terahertz para medir a condutividade
óptica.
Qimiao Si disse que todos os esforços que
foram incluídos no estudo valeram a pena, porque os resultados têm implicações
de longo alcance.
“O entrelaçamento quântico é a base para
armazenamento e processamento de informações quânticas. Ao mesmo tempo,
acredita-se que a criticidade quântica conduz à supercondutividade em alta
temperatura. Portanto, nossas descobertas sugerem que a mesma física subjacente
- criticidade quântica - pode levar a uma plataforma para informações quânticas
e supercondutividade em alta temperatura. Quando alguém contempla essa
possibilidade, não pode deixar de se deslumbrar com a maravilha da natureza”.
