Físicos observaram um novo e estranho tipo de transição em cristais eletrônicos

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Créditos: Oxygen / Moment / Getty Images.

Por David Nield
Publicado na ScienceAlert

Como a ciência básica nos ensina, as mudanças na temperatura podem resultar em transições de fase nos materiais – como quando a água se solidifica como gelo no frio congelante.

No entanto, em alguns casos, a temperatura que desencadeia a mudança é diferente dependendo se o material está esfriando ou aquecendo. Isso é conhecido como ciclo de histerese, e os pesquisadores acham que descobriram um exemplo estranho e inteiramente novo desse fenômeno.

Não é uma transição que você provavelmente verá na vida cotidiana, exigindo um sólido cristalino composto em camadas chamado EuTe4, enormes faixas de temperatura e um circuito de um quilômetro de comprimento para disparar partículas carregadas em movimento rápido e lançadas para criar luz laser brilhante.

Através de tal configuração de laboratório, os cientistas descobriram que o ciclo de histerese para o EuTe4 cobria uma faixa de temperatura gigante de pelo menos 400 Kelvins – muito mais do que a faixa normal para um sólido cristalino como este, que normalmente estaria apenas nas dezenas de Kelvins na maioria.

“Esta descoberta imediatamente chamou nossa atenção, e nossa caracterização experimental e teórica combinada do EuTe4 desafia a sabedoria convencional sobre o tipo de transições histeréticas que podem ocorrer em cristais”, disse o físico Baiqing Lyu, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).

A pesquisa ficou cada vez mais curiosa a partir daí. Não houve mudança na estrutura eletrônica ou de rede no material ao longo da faixa de temperatura que foi medida, o que novamente não é como as transições de fase nos cristais devem funcionar.

Embora seja cedo para essa descoberta, a equipe tem algumas ideias sobre o que pode estar acontecendo: a maneira particular como os elétrons são organizados no EuTe4 faz com que um cristal eletrônico secundário se forme, e pode ser que, à medida que essa segunda camada se mova e mude, ele cria diferentes configurações no ciclo de histerese.

Outros experimentos mostraram que os pesquisadores foram capazes de variar significativamente a resistência elétrica do material resfriando ou aquecendo os cristais – outra indicação de algo estranho e inesperado acontecendo.

“Esta observação nos indica que a propriedade elétrica do material de alguma forma tem uma memória de sua história térmica e, microscopicamente, as propriedades do material podem reter as características de uma temperatura diferente no passado”, disse o físico Alfred Zong, do MIT. “Essa ‘memória térmica’ pode ser usada como um registrador permanente de temperatura”.

Isso abre toda uma série de possibilidades. Uma das maneiras pelas quais isso poderia ser usado pelos cientistas é medir a resistência elétrica do EuTe4 à temperatura ambiente e, a partir daí, deduzir a temperatura mais fria ou mais quente que o material experimentou anteriormente, por causa dessa ‘memória térmica’.

De acordo com a equipe, o trabalho feito aqui pode ser expandido ainda mais para observar outros sólidos e como eles mudam quando expostos a temperaturas extremas. Pode ser particularmente promissor em termos de obter mais controle sobre os materiais usados ​​em switches e memória em computadores.

Primeiro, porém, mais pesquisas são necessárias. Os pesquisadores suspeitam que há mais para descobrir além da faixa de 400 Kelvin – isso era simplesmente o máximo que sua configuração lhes permitia ir. Após mais análises, a histerese também pode ser controlada de outras maneiras além da alteração da temperatura.

“O próximo objetivo é fazer uma manobra com o EuTe4 em um estado resistivo diferente depois de brilhar um único flash de luz, tornando-o um switch elétrico ultrarrápido que pode ser usado, por exemplo, em dispositivos de computação”, disse o físico Nuh Gedik, do MIT.

A pesquisa foi publicada na Physical Review Letters.