O aumento da temperatura muda a topologia eletrônica de um elemento
p Uma superfície Fermi para FeTi, mostrando os estados de energia permitidos que podem ser ocupados por elétrons. Crédito:Fred Yang e Brent Fultz
p Cientistas de materiais da Caltech descobriram uma nova maneira de o calor ajustar as propriedades físicas de um material. p Fazendo experiências com uma liga de ferro e titânio (FeTi), uma equipe liderada por Brent Fultz da Caltech descobriu que o aumento do calor altera a topologia da superfície de Fermi do material - um mapa abstrato dos estados de energia permitidos que podem ser ocupados pelos elétrons.
p Fultz, a Barbara e Stanley R. Rawn, Jr., Professor de Ciência dos Materiais e Física Aplicada na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas, compara uma superfície de Fermi a um planeta coberto por um oceano liso e massas de terra rochosas. O oceano é feito de elétrons, enquanto a terra representa vazios onde os elétrons não estão presentes. Colocar um elemento sob extrema pressão, como no núcleo da Terra, pode causar o surgimento de formas de relevo à espreita logo abaixo da superfície, por sua vez, alterando onde os elétrons provavelmente serão encontrados. O aparecimento desses novos recursos em uma superfície de Fermi é chamado de transição topológica eletrônica (ETT). O conceito de ETT foi proposto pelo físico russo I. M. Lifshitz em 1960, e ETTs foram observados submetendo metais a pressões da ordem de 100, 000 atmosferas.
p O aquecimento faz com que os elétrons se espalhem pela superfície de Fermi, mas, como acontece com as ondas que se movem na água, as linhas costeiras - os limites entre os elétrons e os vazios sem elétrons - permanecem quase as mesmas. Contudo, Fultz e seus colegas notaram que, como o calor também desloca átomos, o aquecimento pode, em alguns casos, revelar formas de relevo escondidas abaixo da superfície do metafórico mar de Fermi.
p Em termos práticos, alterar a topologia da superfície de Fermi altera as propriedades químicas de um metal ou liga, que por sua vez altera sua condutividade elétrica.
p Crédito:Instituto de Tecnologia da Califórnia
p O valor potencial para os engenheiros reside no fato de que é muito mais fácil aumentar a temperatura de um material do que colocá-lo sob o tipo de pressão necessária para forçar um ETT. "As pressões necessárias para causar um ETT são intensas, enquanto as mudanças de temperatura necessárias são comparativamente baixas, "diz Fultz. Na verdade, gigapascals de pressão são necessários para causar um ETT, ou seja, dezenas de milhares de vezes a pressão da atmosfera da Terra. Contudo, Fultz e seus colegas observaram ETTs ocorrendo a centenas de graus Fahrenheit de mudança de temperatura.
p A descoberta foi uma espécie de acidente - o resultado da busca computacional de resultados anômalos durante a realização de testes de espalhamento de nêutrons em uma liga FeTi que é do interesse dos engenheiros porque é incrivelmente forte e extensível.
p O espalhamento de nêutrons revela detalhes sobre a estrutura atômica de um material. No método, um feixe de nêutrons é disparado contra um material e as energias e ângulos dos nêutrons espalhados são registrados e analisados. Em particular, O grupo de Fultz estava usando espalhamento de nêutrons para estudar as vibrações dos átomos nos cristais, que quase sempre se move e zumbe ligeiramente. Os pesquisadores descobriram que, com o aumento das temperaturas, os padrões específicos de zumbido mudaram dramaticamente de uma maneira que não podia ser explicada por meio de mecanismos conhecidos.
p Fred Yang (MS '15), estudante de graduação da Caltech, autor principal de um artigo sobre a descoberta que aparece no jornal Cartas de revisão física , executou várias simulações de computador que sugeriram que a mudança relacionada à temperatura poderia ser explicada por um ETT em FeTi.
p Próximo, Fultz e Yang planejam explorar outros elementos com recursos escondidos logo abaixo de suas superfícies de Fermi.
