O span térmico em um composto em camadas promete aplicações em comutadores elétricos de próxima geração e memória não volátil.
Quando a temperatura muda, muitos materiais sofrem uma transição de fase, como água líquida para gelo ou um metal para um supercondutor. Às vezes, um chamado loop de histerese acompanha essa mudança de fase, de modo que as temperaturas de transição são diferentes dependendo se o material é resfriado ou aquecido.
Em um novo artigo na Physical Review Letters, uma equipe de pesquisa global liderada pelo professor de física do MIT Nuh Gedik descobriu uma transição histerética incomum em um composto em camadas chamado EuTe4, onde a histerese cobre uma faixa de temperatura gigante de mais de 400 kelvins. Este grande vão térmico não só bate o recorde entre os sólidos cristalinos, mas também promete introduzir um novo tipo de transição em materiais que possuem uma estrutura em camadas. Essas descobertas criariam uma nova plataforma para pesquisas fundamentais sobre o comportamento histerético em sólidos em faixas de temperatura extremas. Além disso, os muitos estados metaestáveis que residem dentro do loop de histerese gigante oferecem amplas oportunidades para os cientistas controlarem primorosamente a propriedade elétrica do material, que pode encontrar aplicação em interruptores elétricos de próxima geração ou memória não volátil, um tipo de memória de computador que retém dados quando desligado.
Os pesquisadores incluem o pós-doutorado Baiqing Lyu e o estudante de pós-graduação Alfred Zong PhD ’20 do laboratório Gedik, além de outros 26 de 14 instituições em todo o mundo. Os trabalhos experimentais realizados neste artigo fizeram uso de instalações síncrotron de última geração nos Estados Unidos e na China, onde fontes de luz brilhante são geradas por partículas carregadas em movimento rápido em uma pista circular de um quilômetro de comprimento, e a luz intensa está focado no EuTe4 para desvendar sua estrutura interna. Gedik e seu grupo também colaboraram com uma equipe de teóricos, incluindo o professor Boris Fine e A. V. Rozhkov da Alemanha e da Rússia, que ajudaram a integrar muitas peças do quebra-cabeça em observações experimentais em uma imagem consistente.
Histerese e memória térmica
A histerese é um fenômeno em que a resposta de um material a uma perturbação, como uma mudança de temperatura, depende da história do material. Uma histerese indica que o sistema está preso em algum mínimo local, mas não global, no cenário de energia. Em sólidos cristalinos caracterizados por ordem de longo alcance, isto é, onde há um padrão periódico de um arranjo atômico em todo o cristal, a histerese ocorre tipicamente em uma faixa de temperatura bastante estreita, de alguns a dezenas de kelvins na maioria dos casos.
“No EuTe4, encontramos uma faixa de temperatura extremamente ampla para a histerese acima de 400 kelvins”, diz Lyu. “O número real pode ser muito maior, pois esse valor é limitado pelas capacidades das técnicas experimentais atuais. Essa descoberta imediatamente chamou nossa atenção, e nossa caracterização experimental e teórica combinada do EuTe4 desafia a sabedoria convencional sobre o tipo de transições histeréticas que podem ocorrer em cristais”.
Uma manifestação do comportamento histerético está na resistência elétrica do material. Ao resfriar ou aquecer cristais de EuTe4, os pesquisadores conseguiram variar sua resistividade elétrica em ordens de magnitude.
“O valor da resistividade a uma determinada temperatura, digamos à temperatura ambiente, depende se o cristal costumava ser mais frio ou mais quente”, explica Zong. “Esta observação nos indica que a propriedade elétrica do material de alguma forma tem uma memória de sua história térmica, e microscopicamente as propriedades do material podem reter as características de uma temperatura diferente no passado. Essa ‘memória térmica’ pode ser usada como um registrador permanente de temperatura. Por exemplo, medindo a resistência elétrica do EuTe4 à temperatura ambiente, sabemos imediatamente qual é a temperatura mais fria ou mais quente que o material experimentou no passado.”
Curiosidades encontradas
Os pesquisadores também encontraram várias esquisitices na histerese. Por exemplo, ao contrário de outras transições de fase em cristais, eles não observaram nenhuma modificação na estrutura eletrônica ou de rede ao longo da grande faixa de temperatura. “A ausência de mudança microscópica parece realmente peculiar para nós”, acrescenta Lyu, “Acrescentando ao mistério, ao contrário de outras transições histeréticas que dependem sensivelmente da taxa de resfriamento ou aquecimento, o loop de histerese do EuTe4 parece não ser afetado por esse fator”.
Uma pista para os pesquisadores é a maneira como os elétrons são organizados no EuTe4. “À temperatura ambiente, os elétrons de um cristal EuTe4 condensam-se espontaneamente em regiões com baixa e alta densidade, formando um cristal eletrônico secundário no topo da rede periódica original”, explica Zong. “Acreditamos que as estranhezas associadas ao loop de histerese gigante podem estar relacionadas a esse cristal eletrônico secundário, onde diferentes camadas desse composto exibem movimento desordenado ao estabelecer a periodicidade de longo alcance”.
“A natureza em camadas do EuTe4 é crucial nesta explicação da histerese”, diz Lyu.
O próximo passo é conceber maneiras, além de mudar a temperatura, para induzir esses estados metaestáveis no EuTe4. Isso permitirá que os cientistas manipulem suas propriedades elétricas de maneiras tecnologicamente úteis.
“Podemos produzir pulsos de laser intensos com menos de um milionésimo de um milionésimo de segundo”, diz Gedik. “O próximo objetivo é enganar o EuTe4 em um estado resistivo diferente depois de brilhar um único flash de luz, tornando-o um interruptor elétrico ultrarrápido que pode ser usado, por exemplo, em dispositivos de computação.”
Além dos pesquisadores do MIT, outros autores do artigo estão associados à Stanford University, SLAC National Accelerator Laboratory, University of California at Berkeley, Argonne National Laboratory, Cornell University, Clemson University, Moscow Institute of Physics and Technology, Russian Academy of Sciences, Universidade de Leipzig, Universidade de Pequim, Laboratório de Materiais do Lago Songshan, Instituto de Pesquisa Avançada de Xangai na Academia Chinesa de Ciências e Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong.
Esta pesquisa foi apoiada principalmente pelo Departamento de Energia dos EUA. Apoio adicional para os pesquisadores do MIT foi fornecido pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, Fundação Gordon e Betty Moore, Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA e Instituto Miller; outros coautores foram apoiados pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China e pelo Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento da China.
Publicado em 12/02/2022 13h08
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