Um copo de água gelada representa um exemplo familiar de duas fases que existem ao mesmo tempo. A mesma substância pode aparecer tanto como água líquida quanto como gelo sólido. Em alguns materiais quânticos, diferentes fases podem até coexistir, embora o comportamento subjacente seja muito mais complexo.
Os físicos do MIT revelaram agora novos detalhes de como duas formas diferentes de organização de elétrons podem surgir dentro do mesmo material quântico.
Conclusão, publicada em física da naturezaPoderia melhorar a compreensão dos cientistas sobre materiais que exibem supercondutividade, magnetismo e outras fases eletrônicas. Aprender como essas fases surgem e interagem poderia, em última análise, ajudar os pesquisadores a obter maior controle sobre as propriedades eletrônicas e a desenvolver dispositivos quânticos mais poderosos.
“As pessoas acreditam que a pedra angular da substituição do silício está nos materiais quânticos, que têm múltiplas fases coexistentes”, diz o coautor Alfred Zong PhD ’20, que co-liderou o estudo quando era estudante de pós-graduação no MIT e agora é professor assistente na Universidade de Stanford. “Nosso experimento fornece uma maneira muito simples de estudar essas múltiplas etapas.”
Um tabuleiro de xadrez atômico de elétrons
Pesquisadores liderados por Noah Gedik, professor doador de física do MIT, investigaram o tritelureto de érbio, um material de terras raras com comportamento eletrônico incomum.
Em circunstâncias normais, os elétrons são distribuídos de maneira relativamente uniforme no tritelureto de érbio. No entanto, quando o material é resfriado a temperaturas específicas, os elétrons começam a se organizar em um arranjo em forma de onda conhecido como fase de “onda de densidade de carga” (CDW).
O resfriamento ainda maior do material produz um segundo padrão de onda perpendicular à primeira onda. Juntas, as duas fases eletrônicas formam algo como um tabuleiro de xadrez em escala atômica.
Gedik e seus colegas conseguiram separar o comportamento desses dois estágios e ver como cada estágio evoluiu. A primeira fase apareceu gradualmente em toda a substância, como se a água líquida se transformasse continuamente em vapor. Isto corresponde à imagem tradicional de quantas transições de fase eletrônicas ocorrem.
Comportamento muito diferente ocorreu na segunda fase. Em vez de aparecer suavemente em toda a substância, começou em áreas separadas que se expandiram para fora, semelhante à forma como os cristais de gelo começam a se formar na água líquida.
“O mecanismo responsável pelo surgimento desta segunda fase tem sido debatido há muito tempo, e a nossa abordagem fornece uma nova maneira poderosa de descobrir a física oculta por trás das transições de fase em materiais quânticos”, diz Gedik.
Outros coautores do estudo no MIT são o primeiro autor Yifan Su PhD ’24 e Bai-Qing Lv, um ex-pós-doutorado; Dongsung Choi SM ’17, PhD ’24; e os ex-pós-doutorandos Doron Azouari e Masataka Mogi; Com colegas de muitas outras instituições.
Como as ondas de densidade de carga são formadas
Ondas de densidade de carga se desenvolvem quando cargas elétricas, como os elétrons, se organizam espontaneamente em um padrão de onda repetitivo. As regiões correspondentes aos picos possuem mais elétrons, enquanto os vales possuem menos. Em alguns materiais, este estado coordenado aparece apenas em temperaturas extremamente baixas.
Os físicos estudam ondas de densidade de carga há décadas. Mais recentemente, investigadores encontraram-nos em materiais que também suportam formas mais complexas de comportamento colectivo de electrões, incluindo magnetismo e supercondutividade, em que os electrões se ligam e se movem através do material sem fricção.
O autor principal Yifan Su explica: “Assim como a supercondutividade, as ondas de densidade de carga são um fenômeno coletivo onde os elétrons se movem juntos de certas maneiras”. “O poder dos CDWs é que eles são uma forma de material muito mais simples do que a supercondutividade. Eles fornecem um playground para a compreensão fundamental.”
Os pesquisadores queriam estudar um material em que existissem duas fases CDW ao mesmo tempo. Compreender como as duas ondas aparecem e coexistem pode fornecer pistas sobre as transições de fase mais complexas envolvidas na supercondutividade e em outros estados eletrônicos incomuns.
“Uma das maiores questões da física é por que alguns materiais hospedam múltiplas fases e outros não. E quando múltiplas fases estão presentes, como elas interagem? Elas se reforçam, competem ou coexistem de forma independente?” Gedik diz. “É como um estudo de caso para entendermos materiais mais complexos.”
Usando lasers para perturbar a ordem quântica
Os cientistas já sabiam que o tritelureto de érbio poderia suportar duas ondas de densidade de carga diferentes. O material de terras raras pode ser produzido como folhas atomicamente finas em laboratório, permitindo aos pesquisadores investigar suas propriedades incomuns em escala quântica.
Experimentos anteriores mostraram que a primeira onda de densidade de carga aparece quando o tritelureto de érbio é resfriado a -8 °C. Esta onda “dominante” se propaga em uma direção através do material.
Quando a temperatura cai para -113 °C, uma segunda onda de densidade de carga “subdominante” aparece perpendicularmente à primeira. Ambos os padrões juntos formam um arranjo xadrez de fases eletrônicas coexistentes.
Para o novo estudo, a equipe de Gedik queria determinar como cada fase é realmente formada.
Os pesquisadores obtiveram amostras minúsculas e atomicamente finas de tritelureto de érbio feitas por colegas de Stanford. No laboratório de Gedik, eles resfriaram as amostras a cerca de -230 °C, o que era frio o suficiente para que ambas as ondas de densidade de carga existissem simultaneamente em um padrão xadrez.
Eles então interromperam ou destruíram esse padrão eletrônico e observaram como ambas as ondas retornaram.
O experimento contou com dois pulsos de laser cuidadosamente cronometrados.
“Dessa forma, ‘agitamos’ o sistema e depois o ‘escutamos’”, diz Gedik.
O primeiro pulso de laser causou um “tremor” ao interromper o tabuleiro de xadrez eletrônico. Ao alterar a intensidade do pulso, os pesquisadores puderam controlar a intensidade com que perturbavam as ondas de densidade de carga.
Um segundo pulso contendo fótons de maior energia ejetou elétrons do material. Os pesquisadores aplicaram esse pulso em vários intervalos após o primeiro pulso e mediram a energia e a velocidade dos elétrons expelidos. Essas medições forneceram uma série de instantâneos mostrando como as fases eletrônicas se recuperaram ao longo do tempo.
“Vemos esses estágios destruídos e, se esperarmos o suficiente, eles voltam”, explica Gedik. “E dependendo de como você os atinge, os dois estágios respondem de maneira diferente.”
Dois métodos muito diferentes de reconstrução
A onda de densidade de carga dominante retornou lenta e uniformemente, não importando quão fortemente os pesquisadores tenham inicialmente perturbado o material.
Essa recuperação suave é considerada uma transição de fase de “segunda ordem” clássica. Isto é semelhante à maneira gradual como um ímã perde seu magnetismo à medida que a temperatura aumenta.
A segunda onda de densidade de carga produziu uma grande surpresa.
Em vez de retornar uniformemente, a fase subdominante começou a se formar em bolsas dispersas. Essas regiões então se expandiram através do material, da mesma forma que os cristais de gelo crescem através da água líquida.
Esse comportamento corresponde à infecção menos comum de “primeira ordem” e não era o que os pesquisadores esperavam. As observações permitiram à equipe identificar o mecanismo há muito debatido responsável pelo surgimento da fase subdominante do CDW.
As descobertas podem ter implicações muito além do tritelureto de érbio. Materiais quânticos mais complexos podem conter múltiplas fases eletrônicas simultaneamente, e os cientistas suspeitam que a forma como essas fases interagem pode ser responsável por algumas de suas propriedades mais incomuns.
“Em sistemas que são muito mais complexos, como supercondutores de alta temperatura, você vê que existem múltiplas fases – magnetismo, supercondutividade, ondas de densidade de carga, e todas elas existem simultaneamente”, diz Gedik. “Uma das teorias é que a forma como eles interagem entre si é a chave para suas propriedades exóticas. As lições que aprendemos aqui podem ser aplicadas a materiais muito mais complexos.”
A pesquisa foi apoiada por doações da Iniciativa EPIQS do Departamento de Energia dos EUA, da Fundação Nacional de Ciência dos EUA e da Fundação Gordon & Betty Moore.
