Como a informação pode se mover a velocidades incríveis ou a eletricidade fluir sem desperdiçar energia? As respostas a estas questões levaram cientistas e empresas de tecnologia a materiais quânticos cujo comportamento é governado pela física nas menores escalas. A criação desses materiais avançados depende da compreensão de como os átomos e os elétrons se comportam, uma área onde muitos mistérios permanecem.
Agora, investigadores da Universidade de Genebra (UNIGE), trabalhando com colegas da Universidade de Salerno e do Instituto CNR-SPIN (Itália), fizeram um avanço significativo. Eles identificaram uma característica geométrica nunca antes vista no material quântico que altera o movimento dos elétrons de maneira semelhante à forma como a gravidade desvia a luz. Resultados publicados em Ciênciaapontam para novas possibilidades para a eletrônica quântica da próxima geração.
Por que os materiais quânticos são importantes
As tecnologias modernas dependem de materiais com propriedades extraordinárias, muitas das quais originadas na física quântica. Este campo concentra-se na matéria em escala microscópica, onde as partículas se comportam de maneiras estranhas. Ao longo do século passado, a pesquisa sobre átomos, elétrons e fótons levou à invenção dos transistores e à base dos computadores modernos.
Mesmo agora, os cientistas continuam a descobrir efeitos quânticos que desafiam as teorias estabelecidas. Estudos recentes mostram que quando um grande número de partículas interage dentro de certos materiais, pode surgir algum tipo de geometria interna. Essa estrutura pode redirecionar o movimento dos elétrons, da mesma forma que a teoria da gravidade de Einstein descreve a curvatura da luz.
De uma ideia matemática a uma realidade medida
Essa estrutura interna é conhecida como métrica quântica. Descreve a curvatura do espaço quântico através do qual os elétrons se movem e afeta muitas propriedades microscópicas dos materiais. Apesar de sua importância, comprovar experimentalmente sua existência foi extremamente difícil.
O conceito de métrica quântica remonta a cerca de 20 anos, mas durante muito tempo foi considerado puramente como uma construção teórica. Somente nos últimos anos os cientistas começaram a investigar o seu efeito tangível nas propriedades da matéria”, explica Andrea Cavilla, professora e diretora do Departamento de Física Quântica da Matéria da Faculdade de Ciências da UNIGE.
Descobrindo a geometria oculta em materiais quânticos
Num novo estudo, uma equipa de investigação liderada pela UNIGE juntamente com Carmine Ortix, Professor Associado de Física da Universidade de Salerno, descobriu uma métrica quântica na interface entre dois materiais de óxido, titanato de estrôncio e aluminato de lantânio. Esta interface já é conhecida como uma plataforma poderosa para estudar o comportamento quântico.
“Sua presença pode ser detectada observando como as trajetórias dos elétrons são distorcidas sob o efeito combinado de métricas quânticas e campos magnéticos intensos aplicados a sólidos”, explica Giacomo Sala, pesquisador do Departamento de Física Quântica da Matéria da Faculdade de Ciências da UNIGE e principal autor do estudo.
Implicações para tecnologias futuras
Ser capaz de observar este efeito permite aos cientistas medir com mais precisão as propriedades ópticas, electrónicas e de transporte de um material. A equipe também descobriu que a métrica quântica é uma característica fundamental de muitos materiais, e não uma rara exceção como se pensava anteriormente.
“Essas descobertas abrem novos caminhos para o estudo e uso da geometria quântica em uma ampla gama de materiais, com grandes implicações para a eletrônica futura operando em frequências de terahertz (trilhões de hertz), bem como para a supercondutividade e as interações luz-matéria”, conclui Andrea Cavilla.
