Um copo de água gelada fornece um exemplo familiar de duas fases existindo simultaneamente. A mesma substância pode aparecer tanto como água líquida quanto como gelo sólido. Em alguns materiais quânticos, diferentes fases também podem existir simultaneamente, embora o comportamento subjacente seja muito mais complexo.
Físicos do MIT descobriram agora novos detalhes sobre como duas formas distintas de organização de elétrons surgem no mesmo material quântico.
As descobertas, publicadas em Física da naturezapode melhorar a compreensão dos cientistas sobre materiais que exibem supercondutividade, magnetismo e outras fases eletrônicas. Aprender como essas fases se formam e interagem poderia, em última análise, ajudar os pesquisadores a obter mais controle sobre as propriedades eletrônicas e a desenvolver dispositivos quânticos mais poderosos.
“As pessoas acreditam que a pedra angular da substituição do silício está em materiais quânticos que têm múltiplas fases simultâneas”, disse Alfred Zong PhD ’20, que foi coautor do estudo como estudante de pós-graduação do MIT e agora professor assistente na Universidade de Stanford. “Nosso experimento fornece uma maneira muito precisa de estudar essas múltiplas etapas.”
Tabuleiro de xadrez atômico de elétrons
Os pesquisadores, liderados por Noh Gedik, Donner Professor de Física no MIT, investigaram o trifluoreto de érbio, um elemento de terra rara com comportamento eletrônico incomum.
Em condições normais, os elétrons são distribuídos de maneira relativamente uniforme por todo o tritelureto de érbio. No entanto, quando o material é resfriado a uma certa temperatura, os elétrons começam a se organizar em um arranjo de ondas conhecido como fase de “onda de densidade de carga” (CDW).
O resfriamento ainda maior do material cria um segundo padrão de onda que é perpendicular à primeira onda. Juntas, essas 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 observar como cada um se desenvolve. A primeira fase apareceu gradualmente em todo o material, como se a água líquida se transformasse continuamente em vapor. Isto corresponde à imagem convencional do número de transições de fase eletrônicas.
A segunda fase comportou-se de forma muito diferente. Em vez de aparecer suavemente em todo o material, começou em áreas isoladas que se expandiram para fora, semelhante à forma como os cristais de gelo começam a se formar na água líquida.
“O mecanismo responsável pelo aparecimento da segunda fase tem sido debatido há muito tempo, e a nossa abordagem fornece uma nova e poderosa maneira de explorar a física oculta por trás das transições de fase em materiais quânticos”, diz Gedik.
Os outros autores do estudo do MIT são os primeiros autores Yifan Su PhD ’24 e Bai-Qing Lv, um ex-pós-doutorado. Dongsung Choi SM ’17, PhD ’24; e Doron Azuri e Masataka Mogi, ex-pós-doutorandos. juntamente com colegas de diversas outras instituições.
Como as ondas de densidade de carga são formadas?
Uma onda de densidade de carga é criada quando cargas elétricas, como os elétrons, se organizam espontaneamente em um padrão de onda repetitivo. As regiões correspondentes às coroas contêm mais elétrons, enquanto as depressões contêm menos elétrons. Em alguns materiais, este modo coordenado aparece apenas em temperaturas muito 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, onde os electrões se emparelham e se movem através de um material sem atrito.
“Assim como a supercondutividade, as ondas de densidade de carga são um fenômeno coletivo no qual os elétrons se movem juntos de maneiras específicas”, explica o autor principal Yifan Su. “A força dos CDWs é que eles são uma forma de matéria muito mais simples em comparação com a supercondutividade. Eles fornecem um playground para a compreensão fundamental.”
Os pesquisadores queriam estudar um material no qual existissem duas fases CDW simultaneamente. Compreender como essas 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. Gedik diz. “É como um estudo de caso para entendermos coisas muito mais complexas.”
Usando lasers para perturbar a ordem quântica
Os cientistas já sabiam que o tritelureto de érbio pode suportar duas ondas com diferentes densidades de carga. Este material de terras raras pode ser produzido em laboratório como folhas atomicamente finas, permitindo aos investigadores investigar as suas propriedades incomuns à escala quântica.
Experimentos anteriores mostraram que a primeira onda de densidade de carga apareceu quando o tritelureto de érbio foi resfriado a -8°C. Esta onda “dominante” se propaga através da matéria em uma direção.
Quando a temperatura cai ainda mais para -113°C, uma segunda onda de densidade de carga “subdominante” aparece perpendicularmente à primeira onda. Juntos, esses dois padrões criam um arranjo xadrez de fases eletrônicas.
Para o novo estudo, a equipe de Gedick queria determinar exatamente como cada fase se formou.
Os pesquisadores obtiveram amostras minúsculas e atomicamente finas de tritelureto de érbio criadas por colegas de Stanford. No laboratório de Gaddick, as amostras foram resfriadas a -230°C, frio o suficiente para que ambas as ondas de densidade de carga existissem simultaneamente no padrão xadrez.
Eles então perturbaram, ou destruíram, esse padrão eletrônico e observaram como as duas ondas se recuperaram.
O experimento contou com dois pulsos de laser precisamente cronometrados.
“É assim que ‘agitamos’ o sistema e depois ouvimos o sistema”, diz Gedik.
O primeiro pulso de laser agiu como um “tremor” e destruiu o tabuleiro de xadrez eletrônico. Ao variar a intensidade do pulso, os pesquisadores podem controlar como as ondas perturbam a densidade de carga.
Um segundo pulso contendo fótons de alta energia ejetou elétrons do material. Os pesquisadores aplicaram esse pulso em intervalos diferentes após o primeiro pulso e mediram a energia e o momento dos elétrons ejetados. Essas medições representam uma série de instantâneos que mostram como as fases eletrônicas melhoram com o tempo.
“Estamos vendo esses estágios desaparecerem e, se esperarmos o suficiente, eles voltarão”, explica Gedick. E dependendo de como você os atinge, eles respondem em dois estágios diferentes.”
Duas maneiras muito diferentes de reconstruir
A onda de densidade de carga dominante retornou gradual e uniformemente, independentemente da intensidade com que os pesquisadores inicialmente perturbaram o material.
Essa recuperação suave é considerada uma transição de fase de “segundo grau” clássica. Isto é semelhante à forma como um íman perde o seu magnetismo à medida que a sua temperatura aumenta.
A segunda onda de densidade de carga produziu uma surpresa ainda maior.
Em vez de retornar de maneira uniforme, a fase dominada passou a se formar em bolsões dispersos. Essas regiões então se expandiram através do material, da mesma forma que os cristais de gelo crescem através da água líquida.
Este comportamento está relacionado com uma transmissão de “primeira ordem” menos comum e não era o que os investigadores esperavam. As observações permitiram à equipe identificar o mecanismo há muito debatido responsável pelo surgimento da fase dominada pelo CDW.
Essas descobertas podem ter implicações além do tricloreto 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 coexistem”, diz Gedik. “Uma teoria é que a forma como eles interagem entre si é a chave para as suas estranhas propriedades. As lições que aprendemos aqui podem ser aplicadas a materiais muito mais complexos.”
Esta pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA, pela National Science Foundation dos EUA e por uma bolsa EPiQS da Fundação Gordon e Betty Moore.
