Cientistas conseguem prever efeito quântico com precisão inédita

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e da Universidade Yale, nos Estados Unidos, desenvolveram um método capaz de calcular com alta precisão o efeito Kondo, um fenômeno da física quântica que altera a resistência elétrica de metais com impurezas magnéticas. O avanço permite prever propriedades de materiais reais por meio de cálculos fundamentais , sem depender inicialmente de resultados experimentais. Publicado na revista Science , o estudo representa um avanço na compreensão de materiais cujos elétrons apresentam comportamentos complexos.

Em alguns casos, a nova abordagem foi até 100 vezes mais precisa do que métodos simplificados usados anteriormente. A técnica também pode abrir caminho para investigar materiais mais complexos, como supercondutores de alta temperatura. Para quem tem pressa: Pesquisadores do Caltech e da Universidade Yale desenvolveram um método para calcular o efeito Kondo; O fenômeno altera a resistência elétrica de metais que contêm impurezas magnéticas; A técnica utiliza princípios fundamentais da física quântica, sem depender inicialmente de resultados experimentais; Em alguns casos, o método foi até 100 vezes mais preciso que modelos simplificados; A abordagem pode ajudar a investigar supercondutores de alta temperatura e materiais magnéticos quânticos.

O que é o efeito Kondo? Em condições comuns, a resistência elétrica dos metais diminui à medida que eles esfriam, permitindo que os elétrons se movimentem com mais facilidade. Porém, quando o material contém pequenas impurezas magnéticas, esse comportamento pode mudar: abaixo de uma temperatura específica, chamada temperatura Kondo, a resistência elétrica volta a aumentar.

O efeito Kondo altera a resistência elétrica de metais com impurezas magnéticas em baixas temperaturas. (Imagem: CfA/Mel Weiss) Esse fenômeno ocorre porque os elétrons do metal interagem com os associados às impurezas magnéticas. Essas interações podem neutralizar o magnetismo dos átomos e, ao mesmo tempo, dificultar o fluxo da corrente elétrica.

Embora os cientistas já conhecessem os mecanismos envolvidos, prever o comportamento do efeito Kondo com precisão era um desafio. Temperatura, magnetismo e propriedades dos elétrons interagem em escalas microscópicas, criando um problema quântico complexo, conhecido como problema de muitos corpos. Até agora, os pesquisadores dependiam de experimentos e modelos simplificados para estimar o fenômeno.

Essas abordagens, porém, não conseguiam prever com a mesma precisão como diferentes combinações de metais e impurezas magnéticas se comportariam. Como os cientistas resolveram o problema? Para superar essa limitação, a equipe adotou uma abordagem ab initio, expressão que significa “a partir dos primeiros princípios”.

O método utiliza as leis fundamentais da física quântica para calcular as propriedades de um material, em vez de depender exclusivamente de aproximações baseadas em observações anteriores. A técnica pode ajudar a estudar supercondutores e outros materiais com propriedades quânticas complexas. (Imagem: Tianyu Zhu/AI) – A técnica pode ajudar a estudar supercondutores e outros materiais com propriedades quânticas complexas.

(Imagem: Tianyu Zhu/AI) Os pesquisadores combinaram técnicas da química para representar um único átomo magnético com maior precisão, tratando-o matematicamente de maneira semelhante a uma molécula maior. Depois, realizaram cálculos repetidos para refinar as previsões sobre as interações entre os elétrons. O processo exigiu grande capacidade computacional e o uso de estratégias matemáticas para lidar com a complexidade do sistema.

Ao comparar os resultados com medições experimentais do efeito Kondo, os cientistas verificaram que o método conseguia reproduzir o comportamento dos materiais com elevada precisão. Em alguns casos, a abordagem apresentou precisão até 100 vezes superior à de modelos simplificados. O resultado demonstra que cálculos baseados nos princípios fundamentais da física podem prever propriedades específicas de determinados materiais reais.

Por que a descoberta é importante? Os primeiros testes foram realizados com combinações relativamente simples de metais e impurezas magnéticas. Os pesquisadores consideram essa etapa um ponto de partida para estudar sistemas mais complexos, nos quais as interações entre elétrons podem produzir propriedades difíceis de explicar e prever.

Entre os possíveis alvos estão os supercondutores de alta temperatura e os materiais magnéticos quânticos. Supercondutores podem conduzir eletricidade sem resistência em determinadas condições, característica que desperta interesse para aplicações em redes elétricas e sistemas de computação. Esses materiais também costumam apresentar comportamentos eletrônicos complexos, justamente o tipo de problema que os novos cálculos podem ajudar a investigar.

A possibilidade de prever suas propriedades antes de realizar experimentos pode tornar a pesquisa de novos materiais mais direcionada. Apesar dos resultados promissores, os pesquisadores ainda precisam ampliar o método para sistemas mais complexos. A demonstração inicial indica que prever o comportamento de elétrons correlacionados em materiais reais está se tornando mais viável, mas não significa que todas as propriedades quânticas possam ser calculadas com a mesma precisão.

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