Materiais sólidos, compostos por muitos bilhões de íons e elétrons interagentes, apresentam oportunidades ilimitadas para novas descobertas e constituem a base da tecnologia moderna. As próximas gerações de dispositivos eletrônicos provavelmente explorarão materiais avançados com propriedades físicas que não são encontradas atualmente nos materiais conhecidos. Para descobrir e desvendar tais materiais avançados, é necessário um esforço de pesquisa amplo e coordenado, envolvendo investigações tanto em ciência fundamental quanto aplicada. Os materiais quânticos são sistemas nos quais as interações entre os elétrons constituintes e os fortes efeitos inerentes à mecânica quântica levam a uma grande variedade de fenômenos emergentes – comportamentos cooperativos que não podem ser previstos a partir das propriedades dos elétrons individuais. A compreensão dos fenômenos emergentes decorrentes das interações eletrônicas ainda está em estágio inicial, e muito provavelmente a combinação dessas interações em um ambiente de dimensões (e/ou dimensionalidade) reduzidas e topologia não trivial pode hospedar efeitos que alimentarão as futuras gerações de dispositivos tecnológicos. Os supercondutores, em particular, são materiais quânticos por excelência. As propriedades únicas destes sistemas os tornam objeto preferencial de intensos esforços da comunidade científica e tecnológica internacional, tanto na investigação fundamental quanto no desenvolvimento de dispositivos. Os supercondutores estão entre os poucos sistemas em que propriedades quânticas se manifestam em escalas de tamanho macroscópicas, o que abre possibilidades únicas de aproveitamento tanto em dispositivos nanoscópicos aplicáveis em circuitos lógicos miniaturizados tais como junções Josephson, base física da computação quântica, quanto em sistemas de grande e médio porte para geração, transporte e armazenamento de energia.
O país precisa se posicionar estrategicamente para esta iminente mudança de paradigma em direção a tecnologias explorando materiais quânticos, em particular materiais supercondutores. Para isso, é importante uma sólida base de pesquisa fundamental e aplicada nessa classe de materiais, tanto experimental quanto teórica. Há uma comunidade formada de pesquisadores atuantes e/ou com sólida formação nessa área, porém pouco coordenada. Além disso, muitos atuam em instituições com infraestrutura incipiente, fazendo com que investimentos sejam necessários para possibilitar uma contribuição mais ampla para os esforços nesta área.
Este projeto INCT-Materiais Quânticos Avançados, iniciado em Setembro de 2025 no contexto da chamada CNPq/SECTICS/CAPES/FAPs Nº 46/2024, está integrando nacionalmente, de forma articulada, pesquisadores experimentais e teóricos com produtividade e competência comprovados. Pessoal especializado na síntese e caracterização macroscópica e microscópica de materiais avançados estão atuando em sinergia com especialistas teóricos na análise, interpretação e modelização dos resultados obtidos em laboratório. Também presente na equipe estão pesquisadores da área aplicada, físicos e engenheiros, voltados a concepção e realização de dispositivos variados. Estão sendo realizadas investigações de propriedades térmicas, magnéticas, de magnetotransporte dos materiais, que estão sendo acompanhadas de análises com técnicas espectroscópicas como ressonâncias de spin eletrônico (ESR), nuclear (NMR) e quadrupolar (NQR), espalhamento Raman, difração de raios-X, absorção de raios-X (XANES, EXAFS, XMCD), análise elementar (EDS e WDS), espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo (ARPES), espalhamento ressonante inelástico de raios- X (RIXS) e espectroscopia Mössbauer. Técnicas de microscopia de ponta (STM, AFM, ponta Hall) também estão disponíveis. Quatro premissas básicas norteiam o esforço investigativo do presente projeto. (i) Criação e síntese de materiais e dispositivos quânticos avançados com propriedades emergentes únicas e ajustáveis através de rotas bem estabelecidas com suporte em design digital. (ii) Aplicação de técnicas de caracterização macroscópicas e microscópicas ultrassensíveis que permitam a sondagem de propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas dos materiais propostos. (iii) Aplicação de modelos teóricos para entendimento das propriedades eletrônicas e estruturais dos novos materiais complexos. (iV) Proposição e desenvolvimento de aplicações tecnológicas dos materiais quânticos, com ênfase naquelas relacionadas à supercondutividade. Assim, o Instituto Nacional de Materiais Quânticos Avançados (INCT-MQA) é um programa nacional integrado de pesquisa em materiais complexos que inclui criação, síntese, experimento e teoria de materiais, e que cruza as fronteiras entre física, química e ciência dos materiais.
Com essa iniciativa, estamos realizando uma pesquisa exploratória em âmbito nacional com o objetivo de acelerar o progresso desse campo em várias regiões do país e impulsioná-lo para um nível de entendimento microscópico mais profundo, no qual novas e mais intrigantes perguntas irão surgir e toda a potencialidade tecnológica desses materiais finalmente possa gerar dispositivos e protótipos baseados em materiais quânticos que podem ser úteis à sociedade.