Na última década, os cientistas fizeram grandes progressos na criação de materiais bidimensionais com propriedades quânticas incomuns que poderiam, em última análise, apoiar uma nova geração de tecnologias.
Alguns destes materiais podem tornar-se supercondutores, permitindo que a eletricidade flua sem perda de energia, enquanto outros desenvolvem ordenação de carga, com eletrões dispostos em padrões organizados, em vez de se movimentarem livremente.
Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME) revelaram agora uma forma inesperada de comportamento em um desses materiais, o Fe.5GeTe2. Eles descobriram que ele pode entrar em um estado de carga ordenada, onde um grande número de elétrons se movem juntos de forma extremamente lenta, mantendo a coerência quântica.
Conclusão, publicada em avanço da ciênciaVeio do laboratório do assistente. Professor Shuolong Yang. A descoberta desafia as ideias existentes sobre como o material se comporta e também pode apontar para novos usos tecnológicos.
“Esta é uma descoberta fundamental que se desvia das previsões teóricas”, disse Yang. “Agora temos que voltar e pensar nas interações magnéticas desse material desde o início, mas isso também dá origem a novas possibilidades de uso desse material para novos tipos de dispositivos de memória”.
milhões de elétrons se movendo juntos
Fé5GeTe2Descoberto há sete anos, pertence a uma família de materiais chamados ímãs de van der Waals. Como esses materiais podem ser feitos em camadas atomicamente finas, os pesquisadores estão explorando se eles poderiam permitir tecnologias de memória diferentes daquelas construídas a partir de materiais magnéticos tradicionais.
Yang e seus colegas, incluindo os pós-doutorados Gabriele Beruto e Qiang Gao, investigaram Fe5GeTe2 Usando espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo (ARPES). Esta técnica direciona fótons para um material e expulsa elétrons de sua superfície, permitindo aos pesquisadores mapear sua estrutura eletrônica e estado magnético.
A equipe concentrou um laser ultravioleta em uma área de apenas 10 micrômetros. O que ele viu foi inesperado. O material exibiu uma banda eletrônica plana, o que significa que a faixa de energia dos elétrons associada à condução elétrica mudou muito pouco.
Numa banda plana, os elétrons não se movem através do material tão rápido como normalmente fariam. Em vez disso, eles podem ser extremamente lentos ao executarem comportamentos coletivos.
“Não estamos medindo um único elétron”, disse Yang. “Estamos medindo as interações de milhares ou milhões de elétrons, e todos eles estão se movendo juntos de uma forma coerente. É um fenômeno quântico de muitos corpos, e é realmente uma coisa muito estranha.”
Uma versão quântica de câmera lenta
Yang comparou esse comportamento à água fluindo sobre uma cachoeira. A água flui mais rápido em encostas íngremes, enquanto a água flui lentamente em encostas rasas. Da mesma forma, bandas eletrônicas planas correspondem a elétrons que se movem muito lentamente.
Esta descoberta muda a forma como os pesquisadores entendem o Fe5GeTe2Um material que pode existir em muitos arranjos atômicos diferentes.
“Do ponto de vista científico, verifica-se que as interações magnéticas dentro do material são completamente diferentes do que a teoria prevê”, disse Beruto.
O comportamento anormal também pode ter consequências práticas. porque fe5GeTe2 Podem ocupar diferentes estados magnéticos, esses estados podem ser potencialmente usados para representar e armazenar informações.
Yang e seus colegas estão agora investigando se um laser bem focado pode alternar o material entre esta fase quântica de muitos corpos e outras fases. O seu trabalho indica que tal comutação é possível, levantando a possibilidade de que o efeito possa eventualmente ser incorporado em dispositivos de memória.
Empurrando o comportamento quântico em direção à temperatura ambiente
Muitos efeitos quânticos incomuns sobrevivem apenas em temperaturas próximas do zero absoluto. Porém, neste caso, os pesquisadores descobriram que o comportamento consistente persistia até 100 graus acima do zero absoluto.
Isto ainda está bem abaixo da temperatura ambiente, mas é relativamente alto em comparação com materiais quânticos semelhantes e torna o resultado particularmente promissor para aplicações futuras.
“Se eventualmente quisermos usá-lo em dispositivos de memória, ele precisa funcionar à temperatura ambiente”, disse Gao, agora cientista pesquisador do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.
O próximo objetivo da equipe é determinar se as mesmas propriedades do Fe persistem5GeTe2 É esfoliado até ter apenas uma camada atômica de espessura.
Relembrando o físico Peter Littlewood
O estudo foi uma das últimas publicações de pesquisa associadas ao ilustre físico da UChicago, Peter Littlewood, que morreu em 15 de junho.
“Ele foi um grande físico teórico e líder da pesquisa de materiais quânticos na UChicago”, disse Yang. “Dedicamos este artigo a ele.”
Outros autores do artigo incluem Khanh Duy Nguyen, Chaowei Hu, Paul Malinowski, Haoran Lin, Beomjoon Goh, Bo Gyu Jang, Xiaodong Xu e Jiyun-Hou Chu.
Financiamento: Este trabalho na Universidade de Chicago foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, concessão número DE-SC0022960, e em parte pela Fundação Gordon e Betty Moore, concessão número GBMF12763.
