Pesquisadores do Caltech e Yale desenvolvem método para prever o efeito Kondo em materiais reais

Cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e da Universidade Yale desenvolveram um novo método computacional para calcular com precisão o efeito Kondo em materiais reais específicos. A pesquisa, publicada na revista Science, afasta-se de modelos teóricos simplificados para utilizar as estruturas atômicas e eletrônicas reais dos materiais, permitindo previsões mais precisas de seu comportamento.

O Efeito Kondo e os Desafios de Muitos Corpos

O efeito Kondo é um fenômeno quântico que ocorre quando um único átomo magnético, como ferro ou manganês, é incorporado como impureza dentro de um metal como o cobre. Em metais comuns, a resistência elétrica diminui continuamente à medida que o material esfria. No entanto, em metais com impurezas magnéticas, a resistência deixa de cair quando o material atinge um limiar específico conhecido como temperatura de Kondo. Nesse ponto, a resistência atinge um mínimo e depois começa a aumentar novamente à medida que a temperatura continua a cair.

Esse comportamento resulta da interação entre os elétrons da impureza magnética e os elétrons que viajam pelo metal maciço. À medida que o material esfria, os elétrons no metal interagem fortemente com o spin da impureza, formando uma nuvem que isola, ou cancela, o magnetismo do átomo. Como esse processo envolve um grande número de partículas interagindo, o efeito Kondo é considerado um problema quântico clássico de muitos corpos.

Indo Além dos Modelos Simplificados

Por décadas, os pesquisadores confiaram em modelos simplificados que reduziam a estrutura eletrônica dos materiais a um pequeno conjunto de orbitais e utilizavam modelos matemáticos aproximados. Essas abordagens não conseguiam calcular com confiança a temperatura precisa em que a resistência muda para uma impureza específica ou prever o comportamento exato de materiais reais.

O novo método adapta ferramentas computacionais altamente precisas originalmente desenvolvidas na química quântica para descrever moléculas. Ao aplicar essas ferramentas a materiais quânticos, os pesquisadores conseguiram representar impurezas magnéticas quase como se fossem moléculas, mantendo a complexidade total de suas interações eletrônicas.

Precisão e Aplicações Futuras

A equipe de pesquisa testou seu método em sete átomos diferentes de metais de transição embutidos em cobre. De acordo com o estudo, os cálculos foram até duas ordens de magnitude mais precisos do que as previsões obtidas a partir de técnicas convencionais baseadas em modelos para a maioria dos elementos examinados.

Garnet Chan, professor de Química no Caltech e autor sênior do artigo, afirmou: "Agora é possível prever as propriedades de alguns materiais complicados puramente por meio de computação, sem recorrer a experimentos."

Linqing Peng, um dos autores principais do artigo, destacou a importância desse avanço para o futuro design de materiais. "Estamos em uma era emocionante na qual descrições quânticas preditivas fiéis da complexidade química total de materiais reais estão ao alcance", disse Peng. "Está se tornando realista prever o comportamento específico dos materiais de elétrons correlacionados a partir dos primeiros princípios, mesmo em algumas das classes mais desafiadoras de materiais quânticos."

Por que isso importa

Este desenvolvimento fornece um caminho para simulações computacionais realistas de materiais quânticos mais complicados, incluindo supercondutores de alta temperatura e ímãs quânticos. Nesses sistemas, o comportamento dos elétrons é fortemente influenciado por suas interações com elétrons próximos, tornando-os difíceis de descrever com aproximações convencionais. Ao permitir que a teoria preditiva direcione a busca experimental por novos materiais, esse método pode acelerar a descoberta de materiais com funções emergentes da física correlacionada intricada.

Fontes (em inglês)

• sciencedaily.com: A famous quantum effect can finally be predicted in real materials | ScienceDaily
• ua.news: Method to calculate the Kondo effect in real materials — ScienceDaily | UA.NEWS

Tradução feita com IA do artigo original em inglês, revisada automaticamente para dizer o mesmo que o original. As fontes foram verificadas em inglês.