Físicos e colegas do MIT descobriram o “molho secreto” por trás de algumas das propriedades exóticas de um novo material quântico que encantou os físicos devido a essas propriedades, que incluem a supercondutividade. Embora os teóricos tenham previsto o motivo das propriedades incomuns do material, conhecido como metal kagome, esta é a primeira vez que o fenômeno por trás dessas propriedades é observado em laboratório.
“A esperança é que nossa nova compreensão da estrutura eletrônica de um metal kagome nos ajude a construir uma plataforma rica para descobrir outros materiais quânticos”, diz Riccardo Comin, professor assistente de desenvolvimento de carreira de 1947 no MIT, cujo grupo liderou o estudo. Isso, por sua vez, pode levar a uma nova classe de supercondutores, novas abordagens para a computação quântica e outras tecnologias quânticas.
O trabalho é relatado na edição online de 13 de janeiro de 2022 da revista Nature Physics.
A física clássica pode ser usada para explicar qualquer número de fenômenos subjacentes ao nosso mundo ? até que as coisas fiquem primorosamente pequenas. Partículas subatômicas como elétrons e quarks se comportam de maneira diferente, de maneiras que ainda não são totalmente compreendidas. Entra a mecânica quântica, o campo que tenta explicar seu comportamento e os efeitos resultantes.
O metal kagome no centro do trabalho atual é um novo material quântico, ou um que manifesta as propriedades exóticas da mecânica quântica em escala macroscópica. Em 2018, Comin e Joseph Checkelsky, Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira Mitsui do MIT, lideraram o primeiro estudo sobre a estrutura eletrônica de metais kagome, estimulando o interesse nessa família de materiais. Os membros da família de metal kagome são compostos de camadas de átomos dispostos em unidades repetidas semelhantes a uma estrela de David ou distintivo de xerife. O padrão também é comum na cultura japonesa, particularmente como motivo de cestaria.
“Esta nova família de materiais atraiu muita atenção como um novo e rico playground para a matéria quântica que pode exibir propriedades exóticas, como supercondutividade não convencional, nematicidade e ondas de densidade de carga”, diz Comin.
Propriedades incomuns
Supercondutividade e dicas de ordem de onda de densidade de carga na nova família de metais kagome estudados por Comin e colegas foram descobertos no laboratório do professor Stephen Wilson na Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, onde cristais únicos também foram sintetizados (Wilson é coautor de o artigo Nature Physics). O material específico de kagome explorado no presente trabalho é feito de apenas três elementos (césio, vanádio e antimônio) e tem a fórmula química CsV3Sb5.
Os pesquisadores se concentraram em duas das propriedades exóticas que um metal kagome mostra quando resfriado abaixo da temperatura ambiente. Nessas temperaturas, os elétrons do material começam a exibir um comportamento coletivo. “Eles conversam entre si, em vez de se moverem de forma independente”, diz Comin.
Uma das propriedades resultantes é a supercondutividade, que permite que um material conduza eletricidade de forma extremamente eficiente. Em um metal comum, os elétrons se comportam como pessoas dançando individualmente em uma sala. Em um supercondutor kagome, quando o material é resfriado a 3 Kelvin (cerca de -454 Fahrenheit), os elétrons começam a se mover em pares, como casais em uma dança. “E todos esses pares estão se movendo em uníssono, como se fossem parte de uma coreografia quântica”, diz Comin.
A 100 Kelvin, o material kagome estudado por Comin e colaboradores exibe ainda outro tipo estranho de comportamento conhecido como ondas de densidade de carga. Nesse caso, os elétrons se organizam em forma de ondulações, muito parecidas com as dunas de areia. “Eles não vão a lugar nenhum; estão presos no lugar”, diz Comin. Um pico na ondulação representa uma região rica em elétrons. Um vale é pobre em elétrons. “As ondas de densidade de carga são muito diferentes de um supercondutor, mas ainda são um estado da matéria onde os elétrons precisam se organizar de maneira coletiva e altamente organizada. Eles formam, novamente, uma coreografia, mas não estão mais dançando. Agora eles formam um padrão estático.”
Comin observa que os metais kagome são de grande interesse para os físicos, em parte porque podem exibir ondas de supercondutividade e densidade de carga. “Esses dois fenômenos exóticos estão frequentemente em competição um com o outro, portanto, é incomum que um material hospede os dois.”
O molho secreto?
Mas o que está por trás do surgimento dessas duas propriedades? “O que faz com que os elétrons comecem a falar uns com os outros, para começar a influenciar uns aos outros? Essa é a questão-chave”, diz o primeiro autor Mingu Kang, um estudante de pós-graduação do Departamento de Física do MIT também afiliado à Max Planck POSTECH Korea Research Initiative. . Isso é o que os físicos relatam na Nature Physics. “Ao explorar a estrutura eletrônica desse novo material, descobrimos que os elétrons exibem um comportamento intrigante conhecido como singularidade eletrônica”, diz Kang. Essa singularidade particular recebeu o nome de Léon van Hove, o físico belga que a descobriu pela primeira vez.
A singularidade de van Hove envolve a relação entre a energia e a velocidade dos elétrons. Normalmente, a energia de uma partícula em movimento é proporcional à sua velocidade ao quadrado. “É um pilar fundamental da física clássica que [essencialmente] significa que quanto maior a velocidade, maior a energia”, diz Comin. Imagine um arremessador do Red Sox batendo em você com uma bola rápida. Então imagine uma criança tentando fazer o mesmo. A bola do arremessador doeria muito mais do que a do garoto, que tem menos energia.
O que a equipe do Comin descobriu é que em um metal kagome, essa regra não vale mais. Em vez disso, os elétrons que viajam com velocidades diferentes têm a mesma energia. O resultado é que a bola rápida do arremessador teria o mesmo efeito físico que a do garoto. “É muito contra-intuitivo”, diz Comin. Ele observou que relacionar a energia com a velocidade dos elétrons em um sólido é um desafio e requer instrumentos especiais em duas instalações internacionais de pesquisa síncrotron: Linha de luz 4A1 da Fonte de Luz Pohang e Linha de Luz 7.0.2 (MAESTRO) da Fonte de Luz Avançada em Lawrence Berkeley Laboratório Nacional.
Comentários Professor Ronny Thomale da Universität Würzburg (Alemanha): “Físicos teóricos (incluindo meu grupo) previram a natureza peculiar das singularidades de van Hove na rede kagome, uma estrutura cristalina feita de triângulos de compartilhamento de cantos. Riccardo Comin forneceu agora a primeira verificação experimental dessas sugestões teóricas.” Thomale não estava envolvido no trabalho.
Quando muitos elétrons existem ao mesmo tempo com a mesma energia em um material, eles são conhecidos por interagir muito mais fortemente. Como resultado dessas interações, os elétrons podem emparelhar e se tornar supercondutores, ou então formar ondas de densidade de carga. “A presença de uma singularidade de van Hove em um material que tem ambos faz todo o sentido como fonte comum para esses fenômenos exóticos”, acrescenta Kang. “Portanto, a presença desta singularidade é o ‘molho secreto’ que permite o comportamento quântico dos metais kagome.”
A nova compreensão da equipe sobre a relação entre energia e velocidades no material kagome “também é importante porque nos permitirá estabelecer novos princípios de design para o desenvolvimento de novos materiais quânticos”, diz Comin. Além disso, “agora sabemos como encontrar essa singularidade em outros sistemas”.
Feedback direto
Quando os físicos estão analisando dados, na maioria das vezes esses dados devem ser processados antes que uma tendência clara seja vista. O sistema kagome, no entanto, “nos deu feedback direto sobre o que está acontecendo”, diz Comin. “A melhor parte deste estudo foi poder ver a singularidade ali mesmo nos dados brutos.”
Publicado em 17/01/2022 07h06
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