Materialele cuantice se află în centrul cercetării științifice și tehnologice. Un studiu recent al cercetătorilor de la Universitatea Rice a dezvăluit o nouă clasă de metale cuantice critice. Această descoperire ar putea deschide calea către dispozitive electronice mult mai eficiente, capabile să detecteze variații infime în mediul lor. La scară subatomică, legile fizicii clasice pe care le cunoaștem nu se mai aplică. Particulele, precum electronii, se comportă într-un mod mult mai complex și urmează regulile mecanicii cuantice. Acestea permit, de exemplu, electronilor să se afle în mai multe locuri în același timp (superpoziție) sau să fie „conectați” instantaneu, indiferent de distanța dintre ei (entanglement). Materialele cuantice exploatează aceste proprietăți speciale pentru a avea proprietăți electronice și magnetice care nu se regăsesc în materialele convenționale. Ele se află la baza multor tehnologii emergente, inclusiv a calculului cuantic, care promite să revoluționeze sectoare precum criptografia și simularea științifică.
Cercetătorii de la Universitatea Rice, în colaborare cu o echipă de la Universitatea Tehnică din Viena, au descoperit o nouă clasă de metale cunoscute sub denumirea de metale „cuantice critice”, care au fost prezentate într-un articol publicat în Physical Review Letters. Acestea au proprietăți fascinante și sunt foarte sensibile la schimbările din mediul lor. ”Criticitatea cuantică”, un concept-cheie în acest studiu, apare în timpul unei „tranziții cuantice de fază”. Altfel spus, la fel cum apa trece de la o stare solidă la una lichidă sau gazoasă în funcție de temperatură, materialele cuantice suferă și ele tranziții de fază. În loc să fie cauzate de schimbările de temperatură, aceste tranziții se datorează fluctuațiilor cuantice (variații în stările particulelor care persistă chiar și la temperaturi foarte scăzute, apropiate de zero absolut). În aceste condiții, electronii pot schimba faza, trecând de la o organizare la alta, ceea ce determină modificări ale proprietăților materialului. Totuși, spre deosebire de apă, aceste schimbări sunt mult mai complexe, deoarece se supun legilor mecanicii cuantice. Aceste tranziții cuantice de fază creează apoi materiale foarte speciale numite metale cuantice critice, care se află la granița dintre mai multe stări electronice. Aceste tranziții sunt cele pe care cercetătorii au reușit să le observe și să le studieze mai precis.
În contextul fizicii cuantice, topologia este o ramură a matematicii care studiază modul în care electronii se organizează și interacționează într-un material. Acest concept este esențial pentru a înțelege de ce anumite materiale, cum ar fi aceste noi metale critice cuantice, au proprietăți neobișnuite. Un exemplu frapant al acestei influențe topologice este efectul Hall. În mod normal, atunci când un curent electric trece printr-un material și se aplică un câmp magnetic, curentul deviază de la calea sa. În aceste noi materiale, cercetătorii au descoperit că acest efect Hall este puternic influențat de topologia electronică, adică de modul în care sunt organizați electronii în material. Ceea ce este surprinzător este că acest efect apare cu câmpuri magnetice foarte slabe, mult mai slabe decât se observă de obicei. Acest lucru ar putea fi foarte util pentru proiectarea unor noi tipuri de senzori ultra-sensibili.
Această nouă clasă de metale critice cuantice deschide calea către progrese tehnologice în detectarea și măsurarea semnalelor slabe. Senzorii pe baza acestor materiale ar putea fi utilizați într-o multitudine de domenii, de la monitorizarea mediului la medicină, unde este adesea nevoie de o sensibilitate extremă pentru a detecta anomalii subtile. De exemplu, un senzor bazat pe aceste proprietăți cuantice ar putea fi capabil să detecteze schimbări infime în câmpurile electrice sau magnetice sau să măsoare variații foarte mici de temperatură. De asemenea, ar putea conduce la progrese în tehnologiile de stocare și transfer al energiei prin optimizarea modului în care electricitatea circulă prin materiale.
Deși suntem încă în stadiul de cercetare fundamentală, aceste descoperiri pun bazele inovațiilor viitoare.
