Correlações eletrônicas em materiais quânticos: heterogeneidades e frustração

Resumo

A teoria de Landau de transições de fase forma a base de nosso entendimento contemporâneo de Física da Matéria Condensada. A habilidade de caracterizar estados da matéria, e suas excitações de baixas energia, em termos de um parâmetro de ordem local, e a quebra espontânea de simetria acompanhante, é uma ideia unificadora muito poderosa. Contudo, desde a descoberta do efeito Hall quântico, tornou-se aparente que essa adorada teoria não é suficiente para descrever fases da matéria com emaranhamento de longo alcance e ordem topológica. Ao longo das últimas duas décadas, sistemas eletrônicos fortemente correlacionados surgiram como uma promissora plataforma para acomodar uma vasta gama de novas fases exóticas, tanto líquidas quanto sólidas; famílias de isolantes de Mott frustrados, bem como supercondutores não convencionais, foram apontados como candidatos a exibirem uma variedade de fases topológicas na presença de acoplamento spin-órbita. Diferentemente do sistemas Hall quânticos, esses sistemas eletrônicos correlacionados aproveitam-se da riqueza combinatorial da tabela periódica, da presença de, por vezes, grandes escalas de energia microscópicas (o que se traduz em temperaturas mais elevadas), bem como por serem passíveis de serem estudados por uma diversidade de sondas experimentais. O objetivo principal deste projeto é encontrar e estudar novas fases da matéria em materiais fortemente correlacionados na presença de frustração e/ou heterogeneidades. Buscaremos um entendimento microscópico de seu espectro de excitações de baixas energias, respostas termodinâmicas, propriedades de transporte e sua relação com topologia. Os ingredientes chaves são interação elétron-elétron, redes geometricamente frustradas e forte acoplamento spin-órbita. Para descrevermos e entendermos as propriedades de materiais promissores, implementaremos o seguinte programa. Começamos por investigar o diagrama de fases experimental, o comportamento termodinâmico medido com função de parâmetros externos tais como temperatura, pressão, campo magnético e dopagem. Nesse passo, queremos avaliar a importância relativa de vários possíveis ingredientes para escrever um modelo teórico mínimo. Uma vez incluídos os ingredientes principais em nossa teoria, podemos estudar o comportamento (não usual) das excitações emergentes de baixas energias, suas diversas manifestações e seu acoplamento com outros graus de liberdade. Finalmente, queremos conectar as predições de modelos teóricos simples com os resultados experimentais em materiais quânticos complexos para aumentar nosso entendimento de seu funcionamento microscópico. (AU)