As leis de trânsito quânticas aplicadas à paisagem urbana 3D de um tipo específico de cristal podem frear a hora do rush dos elétrons.
Numa busca por novos materiais que possam conter novos estados bizarros da matéria, físicos da Universidade Rice, nos EUA, conduziram uma experiência que forçou os elétrons em movimento livre a permanecerem no lugar.
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Embora o fenômeno tenha sido observado em materiais onde os elétrons estão restritos a apenas duas dimensões, esta é a primeira vez que é observado em uma rede metálica cristalina tridimensional, conhecida como pirocloro. A técnica dá aos pesquisadores uma nova ferramenta para estudar as atividades menos convencionais de partículas portadoras de carga.
“Procuramos materiais onde existam potencialmente novos estados da matéria ou novas características exóticas que não foram descobertas”, diz Ming Yi, físico da Rice University.
Assim como a luz pode ser descrita de maneiras semelhantes a ondas e partículas, o mesmo ocorre com os blocos de construção dos átomos.
O comportamento quântico ondulatório dos elétrons é essencial para a compreensão de como eles coordenam sua atividade sob certas condições. Resfriadas, as ondas de elétrons podem unir forças entre si em atos de emaranhamento que lhes permitem deslizar através de sólidos como fantasmas, dando origem a materiais energeticamente eficientes chamados supercondutores.
O comportamento dos elétrons pode ser gerenciado de outras maneiras. Organizar as proporções corretas de elementos resulta em interseções únicas que funcionam um pouco como semáforos, reduzindo o que de outra forma poderia ser uma agitação caótica de pedestres e passageiros a um rastejamento suave no que é descrito como frustração geométrica.
Os pirocloros são minerais complexos com uma estrutura padronizada que os torna úteis para uma série de pesquisas e fins industriais. Construir um a partir de uma mistura de cobre, vanádio e enxofre deu aos pesquisadores um metal geometricamente frustrado que poderia canalizar ondas de elétrons para pontos de estrangulamento.
“Este efeito de interferência quântica é análogo às ondas que ondulam na superfície de um lago e se encontram de frente”, diz Yi.
“A colisão cria uma onda estacionária que não se move. No caso de materiais reticulados geometricamente frustrados, são as funções das ondas eletrônicas que interferem destrutivamente.”
Uma técnica chamada espectroscopia de fotoemissão com resolução angular permitiu à equipe medir a energia e o momento dos elétrons na rede 3D, demonstrando que um não dependia do outro como de costume.
Neste espaço incomum conhecido como banda plana, as interações entre os elétrons ociosos são governadas por um conjunto diferente de regras que poderiam – em teoria – dar aos físicos uma nova maneira de compreender fenômenos eletromagnéticos como a supercondutividade.
Embora elétrons localizados de forma semelhante tenham sido vistos em materiais 2D conhecidos como redes de Kagome, o surgimento de uma banda plana de ondas interferentes que percorrem uma rede 3D fornece uma prova de conceito que pode levar a uma classe totalmente nova de material.
“O pirocloro não é o único jogo disponível”, diz Qimiao Si, físico da Rice University.
“Este é um novo princípio de design que permite aos teóricos identificar de forma preditiva materiais nos quais surgem bandas planas devido a fortes correlações eletrônicas.”
Esta pesquisa foi publicada na Nature Physics.
Traduzido de ScienceAlert
