Quando os electrões cantam em harmonia - e sentem a forma da sua casa
Investigadores de Hamburgo observam coerência quântica sensível à forma em estruturas Kagome em forma de estrela
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Os físicos do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD), em Hamburgo, descobriram uma nova e surpreendente forma de comportamento quântico. Nos cristais Kagome em forma de estrela - cujo nome deriva de um padrão tradicional japonês de tecido de cestos de bambu - os electrões que normalmente agem como uma multidão barulhenta sincronizam-se subitamente, formando uma "canção" colectiva que evolui com a forma do cristal. O estudo, publicado na revista Nature, revela que a própria geometria pode sintonizar a coerência quântica, abrindo novas possibilidades para desenvolver materiais em que a forma define a função.
Ilustração da coerência dos electrões a longa distância
Copyright: Guo et al.
Coerência sem supercondutividade
A coerência quântica - a capacidade de as partículas se moverem em sincronia como ondas sobrepostas - está normalmente limitada a estados exóticos como a supercondutividade, em que os electrões se emparelham e fluem coerentemente. Nos metais comuns, as colisões destroem rapidamente essa coerência. Mas no metal Kagome CsV₃Sb₅, depois de esculpir minúsculos pilares cristalinos com apenas alguns micrómetros de diâmetro e aplicar campos magnéticos, a equipa do MPSD observou oscilações do tipo Aharonov-Bohm na resistência eléctrica. Mostrando assim que os electrões estavam a interferir coletivamente, mantendo-se coerentes muito para além do que a física das partículas individuais permitiria. "Isto não é o que os electrões sem interação deveriam ser capazes de fazer", diz Chunyu Guo, o autor principal do estudo. "Isto aponta para um estado coerente de muitos corpos".
Um estado quântico sensível à forma
Ainda mais surpreendente é o facto de as oscilações dependerem da geometria do cristal. As amostras rectangulares trocaram de padrão em ângulos rectos, enquanto os paralelogramos o fizeram a 60° e 120° - correspondendo exatamente à sua geometria. "É como se os electrões soubessem se estão num retângulo ou num paralelogramo", explica Philip Moll, o diretor responsável do MPSD. "Estão a cantar em harmonia - e a canção muda consoante a sala em que se encontram".
A descoberta sugere uma nova forma de controlar os estados quânticos: esculpindo a geometria de um material. Se a coerência puder ser moldada em vez de meramente observada, os investigadores poderão conceber materiais que se comportem como instrumentos afinados - onde a estrutura, e não apenas a química, define a sua ressonância. "Os metais Kagome estão a dar-nos um vislumbre de coerência que é simultaneamente robusta e sensível à forma", diz Moll. "É um novo princípio de design que não esperávamos".
Uma ressonância mais alargada
A rede Kagome há muito que intriga os cientistas devido ao seu desenho intrincado de triângulos e hexágonos entrelaçados, que muitas vezes frustram geometricamente os electrões e dão origem a fases exóticas da matéria. As recentes descobertas da equipa de Hamburgo estendem estes efeitos do nível atómico para a escala dos dispositivos, demonstrando que a geometria influencia o comportamento quântico coletivo dos electrões. Tal como um coro ressoa de forma diferente numa catedral e numa sala de concertos, os electrões nestes cristais em forma de estrela parecem produzir um novo som - um som influenciado não só pela disposição dos átomos mas também pela sua forma. Atualmente, este fenómeno está limitado a ambientes laboratoriais, onde feixes de iões focalizados moldam os cristais em pilares micrométricos. No entanto, as implicações desta investigação são de grande alcance. "Quando a coerência puder ser moldada em vez de meramente descoberta, a fronteira dos materiais quânticos poderá passar da química para a arquitetura", afirma Guo. "Abre-se uma nova via para a conceção de funcionalidades quânticas para a eletrónica do futuro, remodelando a geometria do material".
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Publicação original
Chunyu Guo, Kaize Wang, Ling Zhang, Carsten Putzke, Dong Chen, Maarten R. van Delft, Steffen Wiedmann, Fedor F. Balakirev, Ross D. McDonald, Martin Gutierrez-Amigo, Manex Alkorta, Ion Errea, Maia G. Vergniory, Takashi Oka, Roderich Moessner, Mark H. Fischer, Titus Neupert, Claudia Felser, Philip J. W. Moll; "Many-body interference in kagome crystals"; Nature, 2025-10-29
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