Tecnologia Científica

Mudança radical na condutividade elanãtrica de material
Pesquisa da Unesp aborda transia§a£o que transforma materiais supercondutores em isolantes
Por José Tadeu Arantes - 18/12/2019

Imagem: Fapesp
Simulação computacional realizada na Unesp investigou o fena´meno. Estudo, publicado em Scientific Reports, podera¡ ter aplicação tecnologiica no futuro


Transições de fase cla¡ssicas ocorrem quando determinados parametros, como a temperatura ou a pressão, variam. Os exemplos mais conhecidos são as transições de fase da a¡gua, passando do estado sãolido para o la­quido e do la­quido para o gasoso, com a elevação da temperatura. Já as transições de fase qua¢nticas ocorrem sem a variação desses parametros. Ao contra¡rio, as mais nota¡veis acontecem em temperaturas esta¡veis extremamente baixas, próximas do zero absoluto, em patamares da ordem do nanokelvin ou atédo picokelvin.

Um estudo, realizado na Universidade Estadual Paulista (Unesp), no campus de Araraquara, investigou uma transição especa­fica na qual o material muda radicalmente de comportamento em relação a  condutividade elanãtrica, passando de superfluido ou supercondutor a isolante.

Artigo a respeito, assinado por Guilherme Arantes Canella e sua orientadora, Vivian Vanessa Frana§a, foi publicado em Scientific Reports: “Superfluid-Insulator Transition unambiguously detected by entanglement in one-dimensional disordered superfluids”.

O estudo “Teoria do funcional da densidade e aplicações em sãolidos e a¡tomos frios”, conduzido por Frana§a, recebeu auxa­lio da FAPESP por meio do programa Apoio a Jovens Pesquisadores.

“A transição foi possibilitada por meio de desordem, isto anã, da inclusão de impurezas no material ou de modificações aleata³rias no espaa§amento entre os a¡tomos”, disse Frana§a a  Agência FAPESP.

O aumento da desordem e o monitoramento das respostas do material foram feitos por meio de simulação computacional. Vale lembrar que os estudos na área se da£o tanto no a¢mbito da ciência ba¡sica, para o entendimento dos processos fa­sicos envolvidos, quanto, mais atanã, no a¢mbito da ciência aplicada, para tirar proveito prático dessas transições para a criação de novas tecnologias.

“Projetamos cadeias unidimensionais, a s quais fomos acrescentando desordem. O primeiro passo foi vencer um grande desafio computacional. Porque a desordem não pode ser acrescentada a um sa­tio especa­fico. Caso isso acontecesse, ela não seria aleata³ria. a‰ preciso simular muitas configurações possa­veis e fazer a média, o que exige uma grande quantidade de ca¡lculos bastante complexos. O manãtodo que possibilitou superar esse desafio computacional foi a Teoria do Funcional de Densidade”, afirmou a pesquisadora.

A Teoria do Funcional de Densidade (DFT, do inglês Density Functional Theory), éum modelo simplificado, derivado da meca¢nica qua¢ntica, utilizado em física dos sãolidos e em química tea³rica para resolver sistemas de muitos corpos (leia mais sobre a DFT em reportagem publicada na Agência FAPESP).

“Mesmo com o uso da DFT, foram necessa¡rios cerca de 70 dias de processamento computacional para gerar os pontos que apresentamos no artigo. Por meio de ca¡lculos exatos, que são possa­veis, poranãm muito mais demorados e custosos, precisara­amos de 115 anos”, comentou Frana§a.

A pesquisadora informou que ela e Canella, seu orientando de doutorado, trabalharam com um material genanãrico, mas sujeito a algumas considerações. “Simulamos sistemas praticamente unidimensionais, como nanofios, constitua­dos por fanãrmions, e exploramos todos os possa­veis parametros, para investigar a transição de fase superfluido-isolante”, disse.

Modelo Padra£o

Cabe abrir aqui um pequeno paraªntese. No chamado Modelo Padra£o, todas aspartículas são fanãrmions ou ba³sons. Fanãrmions sãopartículas com spin semi-inteiro, que obedecem a  estata­stica de Fermi-Dirac. Por exemplo, o pra³ton, o elanãtron e o pra³prio a¡tomo. Ba³sons sãopartículas com spin inteiro, que obedecem a  estata­stica de Bose-Einstein. Por exemplo, o fa³ton. Nas extensaµes do Modelo Padra£o que incluem supersimetria, para cada fanãrmion adiciona-se um ba³son como parceiro e vice-versa.

No estudo em pauta, a interação entre os fanãrmions édescrita pelo modelo de Hubbard unidimensional. “O que encontramos foi que a transição pode ser obtida por meio da variação de três parametros: aumentando a intensidade das impurezas, aumentando a concentração de impurezas ou diminuindo a densidade departículas”, afirmou a pesquisadora.

Localização ordina¡ria

Uma pergunta importante que o estudo pretendeu responder foi se a transição de fase qua¢ntica afetava o emaranhamento das partículas Emaranhamento éa caracterí­stica mais exa³tica da meca¢nica qua¢ntica osaquela que não tem nenhum ana¡logo cla¡ssico. Estados emaranhados são tais que qualquer intervenção feita em um deles afeta instantaneamente o outro, mesmo que não haja contiguidade espacial entre eles.

A preservação do emaranhamento pelo maior intervalo de tempo possí­vel éuma questão-chave para o desenvolvimento da computação qua¢ntica. “Nosso estudo mostrou que todos os três casos [intensidade da desordem, concentração de impurezas ou densidade departículas] afetam o emaranhamento”, contou Frana§a.

“Verificamos também que a transição pode resultar em dois tipos de isolantes. Isso éalgo que, atéo ponto em que sabemos, não havia sido registrado ainda pela literatura”, prosseguiu.

“Uma das caracteri­sticas dos isolantes éo fato de aspartículas serem bem localizadas na amostra, em contraste com a delocalização do supercondutor. Verificamos que existe o que chamamos de ‘localização ordina¡ria’, na qual aspartículas se localizam, mas, por causa da topologia da amostra, ainda mantem alguma delocalização. E isso faz com que o emaranhamento passe a ser constante, como deveria ser no caso de um isolante, mas assuma um valor finito, diferente de zero. E existe também o que chamamos de ‘localização completa’. Nesta, aspartículas ficam completamente localizadas, e atingem emaranhamento nulo”, explicou.

Muitas controvanãrsias registradas na literatura decorriam do fato de a existaªncia dos dois tipos de isolantes não ter sido atéentão considerada. Os autores discorriam sobre coisas distintas, e isso gerou resultados contradita³rios. Foi uma importante contribuição do estudo colocar essa dualidade em evidaªncia.

“A localização ordina¡ria acontece sem necessidade de uma intensidade ma­nima de desordem, estãoassociada a uma transição menos abrupta e pode ser alcana§ada por meio de qualquer um dos três parametros. Já a localização completa requer uma intensidade ma­nima e são pode ser alcana§ada por meio dos parametros concentração e densidade”, concluiu Frana§a.

O artigo Superfluid-Insulator Transition unambiguously detected by entanglement in one-dimensional disordered superfluids pode ser acessado em www.nature.com/articles/s41598-019-51986-0.

Para saber mais sobre o grupo de pesquisa ou sobre oportunidades de mestrado e doutorado na área, acesse: www.iq.unesp.br/#!/departamentos/fisico-quimica/docentes/vivian-v-franca.

 

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