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.

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.

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. Matheus Labourdette Matheus Labourdette é redator no Olhar Digital.

Ver todos os artigos → Ana Luiza Figueiredo Ana Figueiredo é editora de tecnologia do Olhar Digital. É formada em Jornalismo pela Universidade Federal de Uberlândia (UFU). Ver todos os artigos →