Físicos da FSU Descrevem Fase Quântica Inédita com Elétrons Oscilando entre Estados Sólido e Líquido

Pesquisadores da Universidade Estadual da Flórida (FSU) anunciaram a descoberta de uma nova fase da matéria, na qual os elétrons exibem um comportamento bifásico, alternando entre uma estrutura cristalina ordenada e um movimento fluido. O estudo, detalhado na publicação npj Quantum Materials, redefine aspectos da mecânica quântica e da dinâmica eletrônica, sendo validado com o auxílio de recursos computacionais avançados do programa ACCESS da National Science Foundation.

A base conceitual para esta revelação reside no cristal de Wigner generalizado, uma construção teórica postulada originalmente por Eugene Wigner em 1934. Sob um ajuste quântico específico, as redes de elétrons ordenadas podem passar por um processo de fusão, transicionando para um estado líquido com mobilidade eletrônica irrestrita. A equipe da FSU identificou um estado intermediário, denominado estado "pinball", onde elétrons fixos em uma matriz coexistem com outros que se movem de forma caótica, manifestando simultaneamente características isolantes e condutoras.

A equipe de investigação, que inclui Cyprian Lewandowski, Hitesh Changlani e Aman Kumar, aplicou metodologias rigorosas como a diagonalização exata e simulações de Monte Carlo para mapear os diagramas de fase do sistema. Lewandowski, Professor Assistente, e Changlani, Professor Associado, ambos afiliados ao National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) da FSU, utilizaram essas técnicas para analisar o sistema ao manipular interações em uma super-rede moiré bidimensional. Diferentemente da rede triangular tradicional do cristal de Wigner, a versão generalizada permite a formação de arranjos cristalinos variados, como estruturas em favo de mel ou listras.

O impacto potencial desta pesquisa é significativo para o avanço das tecnologias quânticas, particularmente no desenvolvimento de qubits mais robustos, cruciais para a construção de computadores quânticos tolerantes a falhas. A capacidade de sintonizar as fases eletrônicas pode também impulsionar a spintrônica de baixa energia e otimizar dispositivos baseados em materiais como o grafeno. Uma vantagem notável é a possibilidade de observar estes efeitos complexos sem a exigência de temperaturas criogênicas extremas, abrindo caminho para fenômenos quânticos em temperatura ambiente e potenciais avanços em supercondutores de alto desempenho.

Este trabalho teórico fornece um arcabouço para prever a existência e a transição entre diferentes fases da matéria sob condições controladas. A cristalização de Wigner, historicamente difícil de observar em três dimensões, requer densidades eletrônicas baixas onde a energia potencial supera a energia cinética. A identificação deste novo estado na FSU representa um avanço na compreensão da dinâmica eletrônica, oferecendo um novo paradigma para o estudo de fenômenos quânticos complexos.