Nos materiais quânticos, a ordem eletrônica raramente se forma de maneira suave e uniforme. Pelo contrário, muitas vezes aparece como padrões complexos que diferem de uma região para outra. Um exemplo bem conhecido é a onda de densidade de carga (CDW), um estado no qual os elétrons são organizados em padrões repetidos em baixas temperaturas. Embora os CDWs tenham sido estudados há muitos anos, tem sido difícil para os pesquisadores observar diretamente como sua força e coerência espacial mudam durante a transição de fase.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Yeonsu Yang do Departamento de Física do KAIST (Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia), em colaboração com os professores Song Bin Lee, Haejun Yang e Yongkwan Kim e funcionários da Universidade de Stanford, alcançou um grande avanço. Pela primeira vez, eles visualizaram diretamente como a amplitude da ordem da onda de densidade de carga se desenvolve no espaço dentro do material quântico.
Imagens em nanoescala revelam padrões eletrônicos irregulares
Para conseguir isso, os pesquisadores usaram um microscópio eletrônico resfriado com hélio líquido juntamente com microscopia eletrônica de transmissão de varredura quadridimensional (4D-STEM). Essa configuração avançada permitiu rastrear como o pedido CDW se forma, enfraquece e se decompõe conforme a temperatura muda. Mais importante ainda, eles foram capazes de criar mapas detalhados em nanoescala que mostram não apenas a presença da ordem eletrônica, mas também quão forte ela é e como ela se conecta em diferentes regiões.
Este processo pode ser comparado à observação da formação de cristais de gelo quando a água congela, obtida com uma ampliação extremamente elevada. Porém, neste caso, a equipe observou como os elétrons estavam localizados em temperaturas em torno de -253°C. Seu microscópio poderia resolver estruturas de até cem milésimos da largura de um fio de cabelo humano. As imagens mostraram que o pedido eletrônico está distribuído de forma desigual. Algumas áreas apresentavam padrões claros e distintos, enquanto regiões próximas não apresentavam nenhum, assemelhando-se a um lago onde o gelo se forma em manchas em vez de cobrir toda a superfície.
Tensão e destruição da ordem eletrônica
O estudo também descobriu que estes padrões irregulares estão intimamente relacionados com pequenas distorções dentro do cristal. Mesmo uma pequena deformação, pequena demais para ser detectada por métodos ópticos convencionais, foi suficiente para atenuar significativamente a amplitude do CDW. Esta estreita relação entre deformação e ordem eletrônica fornece evidência direta de que distorções sutis na rede desempenham um papel crítico na formação de como esses padrões se formam.
Outro resultado inesperado foi a descoberta de que pequenos focos de ordem CDW podem persistir mesmo acima da temperatura de transição, onde se espera que a ordem de longo alcance desapareça. Estas regiões isoladas indicam que a transição não é um processo simples e uniforme. Em vez de desaparecer de uma só vez, a ordem electrónica perde gradualmente a sua integridade espacial.
Medindo como o pedido eletrônico desaparece
A principal conquista do trabalho é a primeira medição direta da correlação de amplitude do CDW. Ao examinar como a força da ordem electrónica num local se relaciona com a força noutro, os investigadores mostraram como a coerência é quebrada na transição enquanto a amplitude local permanece presente. Este nível de detalhe não estava disponível usando técnicas tradicionais de difração ou varredura.
Uma nova estrutura para a compreensão de materiais quânticos
Ondas de densidade de carga são uma característica fundamental de muitos materiais quânticos e frequentemente interagem com outros estados eletrônicos. Ao mapear diretamente sua estrutura espacial e correlações, este estudo oferece uma nova abordagem experimental para compreender como a ordem eletrônica coletiva se forma e evolui em sistemas reais.
Yongsu Yang enfatizou a importância das descobertas: “Até agora, a coerência espacial das ondas de densidade de carga tem sido amplamente assumida indiretamente. Nossa abordagem nos permite visualizar diretamente como a ordem eletrônica muda no espaço e na temperatura, e identificar os fatores que a estabilizam ou suprimem localmente.”
O estudo, com Seokjo Hong, Jaewhan Oh e Jemin Park do KAIST como coautores, foi publicado em Revisão de planilhas físicas.
A pesquisa foi apoiada principalmente por doações da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF) (Programas Individuais de Pesquisa Básica, Programa de Laboratório de Pesquisa Básica, Programa de Desenvolvimento de Tecnologia de Nanomateriais) financiados pelo governo coreano (MSIT).
Os autores agradecem a E.-G. Um mês para discussões úteis. Este estudo foi apoiado principalmente por doações da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF) (RS-2023-00208179 e RS-2025-02243032) financiadas pelo governo coreano (MSIT). YY também agradece o apoio do KAIST Singularity Professorship Program. A SBL foi apoiada por uma subvenção da NRF (2021R1A2C109306013) e pelo Programa de Desenvolvimento de Tecnologia de Nanomateriais através da NRF financiada pelo MSIT (RS-2023-00281839). YK recebeu apoio financeiro da NRF Grant (No. RS-2022-00143178 e No. RS-2024-00345856) e do Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) (Grant No. KRISS-GP2025-0015). HY foi apoiado pela NRF Grant No. RS-2024-00340377 financiado pelo MSIT. Experimentos 4D-STEM, ADF-STEM e EELS foram realizados utilizando equipamentos Titan Cubed G2 60-300 (FEI) e Spectra Ultra (ThermoFisher) com correção dupla Cs no Centro de Pesquisa e Análise KAIST (KARA). O excelente apoio de Hyun Bin Bae, Jin Seok Choi e da equipe KARA é reconhecido com gratidão. Declaramos que os autores utilizaram o ChatGPT apenas para fins de edição de idioma, e todos os textos manuscritos originais foram escritos por humanos e não por inteligência artificial.
