Muitas pessoas imaginam a condutividade elétrica como o fluxo de partículas carregadas (principalmente elétrons) sem realmente pensar sobre a estrutura atômica do material através do qual essas cargas estão se movendo. Mas os cientistas que estudam materiais de "elétrons fortemente correlacionados", como supercondutores de alta temperatura e aqueles com fortes respostas ao magnetismo, sabem que a imagem é muito simplista. Eles sabem que os átomos desempenham um papel crucial na determinação das propriedades de um material.

Por exemplo, resistência elétrica é uma manifestação de elétrons espalhando-se pelos átomos. Menos evidente é o conceito de que elétrons e átomos podem se mover cooperativamente para interromper o fluxo de carga ou, no outro extremo, fazer os elétrons fluírem livremente sem resistência.

Agora, uma equipe liderada pelo físico Yimei Zhu no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA produziu evidências definitivas de que o movimento dos elétrons tem um efeito direto sobre os arranjos atômicos, causando deformações na rede cristalina 3D de um material de maneiras que podem alterar drasticamente o fluxo de corrente. Encontrar evidências para essas fortes interações elétron-rede, conhecidos como polarons, enfatiza a necessidade de quantificar seu impacto em fenômenos complexos como a supercondutividade (a capacidade de alguns materiais de transportar corrente sem perda de energia) e outras propriedades promissoras.

Conforme descrito em um artigo publicado na revista Nature Partner npj Quantum Materials , a equipe desenvolveu um sistema de "difração de elétrons ultrarrápido" - uma nova técnica de imagem a laser e a primeira de seu tipo no mundo - para capturar as sutis distorções da rede em escala atômica. O método tem amplo potencial de aplicação para estudar outros processos dinâmicos.

"A técnica é semelhante a usar fotografia estroboscópica para revelar a trajetória de uma bola, "disse Zhu." Usando diferentes atrasos entre jogar a bola e tirar a foto, você pode capturar a ação dinâmica, " ele disse.

Mas para a dinâmica da imagem em escala atômica, você precisa de um flash muito mais rápido e uma maneira de colocar objetos em escala subatômica em movimento.

A máquina desenvolvida pela equipe de Brookhaven usa um pulso de laser para dar aos elétrons de um material de amostra um "chute" de energia. Ao mesmo tempo, um segundo laser separado do primeiro gera rajadas muito rápidas de elétrons de alta energia (2,8 mega-elétron-volt) para sondar a amostra. Os elétrons que compõem esses "flashes" de 130 femtossegundos - cada um com duração de apenas 0,00000000000013 segundos - se espalham pela amostra e criam padrões de difração que revelam as posições dos átomos. Variando o atraso de tempo entre o pulso e a sonda, os cientistas podem capturar as mudanças sutis nos arranjos atômicos conforme a rede responde aos elétrons "disparados".

"Isso é semelhante à difração de raios-X, mas, ao usar elétrons, obtemos um sinal muito maior, e a alta energia dos elétrons da sonda nos dá melhor acesso para medir o movimento preciso dos átomos, "Zhu disse. Além disso, seu microscópio pode ser construído por uma fração do que custaria para construir uma fonte de luz de raios-X ultrarrápida. "Esta é uma máquina 'construída em casa'."

Principais conclusões

Os cientistas usaram essa técnica para estudar as interações elétron-rede em um óxido de manganês, um material de interesse de longa data devido à forma dramática com que sua condutividade pode ser afetada pela presença de um campo magnético. Eles detectaram uma assinatura reveladora de elétrons interagindo e alterando a forma da rede atômica - a saber, um "relaxamento" de duas etapas exibido pelos elétrons impulsionados e seus átomos circundantes.

Em um relaxamento normal de uma etapa, elétrons disparados por uma explosão de energia de um local atômico para outro adaptam rapidamente sua "forma" ao novo ambiente.

"Mas em materiais fortemente correlacionados, os elétrons são desacelerados por interações com outros elétrons e interações com a rede, "disse Weiguo Yin, outro físico de Brookhaven trabalhando no estudo. "É como um engarrafamento com muitos carros se movendo mais devagar."

Na verdade, os elétrons carregados negativamente e os núcleos atômicos carregados positivamente respondem uns aos outros de uma maneira que faz com que cada um tente acomodar a "forma" do outro. Então, uma nuvem de elétrons alongada, ao entrar em um espaço atômico simétrico, começa a assumir uma forma mais esférica, enquanto ao mesmo tempo, os átomos que compõem a rede, mudar de posição para tentar acomodar a nuvem de elétrons alongada. Na segunda etapa, este no meio, Empurre-me, O arranjo pull-you relaxa gradualmente até o que seria esperado em um relaxamento de uma etapa.

"Este comportamento em duas etapas, que podemos ver com nossa difração de elétrons ultrarrápida, é a prova de que as vibrações da rede estão interagindo com os elétrons em tempo hábil. Eles são a prova de que os polarons existem, "Yin disse.

A descoberta permite compreender como a resposta da rede ajuda a gerar a enorme diminuição da resistência elétrica que as manganitas experimentam em um campo magnético - um efeito conhecido como magnetorresistência colossal.

"As formas da nuvem de elétrons estão ligadas aos atributos magnéticos dos elétrons, "Yin explicou." Quando os momentos magnéticos dos elétrons estão alinhados em um campo magnético, a forma da nuvem de elétrons e o arranjo atômico tornam-se mais simétricos e homogêneos. Sem a necessidade de jogar o push-me, jogo de puxar, cargas elétricas podem fluir mais facilmente. "

Este trabalho mostra que um laser ultrarrápido pode modificar rapidamente a eletrônica, magnético, e dinâmica de rede em materiais de elétrons fortemente correlacionados - uma abordagem que pode resultar em novas aplicações técnicas promissoras, como memória ultrarrápida ou outros dispositivos eletrônicos de alta velocidade.

"Nosso método pode ser usado para entender melhor essas interações dinâmicas, e sugere que também será útil para estudar outros processos dinâmicos para descobrir estados ocultos e outros comportamentos materiais exóticos, "disse Zhu.