Crédito:Diamond Light Source
O material recentemente descoberto K 2 Cr 3 Como 3 tem uma estrutura que consiste em cadeias de Cr-As paralelas, o que dá a oportunidade de estudar o comportamento exótico que está previsto ocorrer quando os elétrons estão efetivamente confinados a se mover apenas em uma dimensão. Suas propriedades peculiares, tendo um estado metálico incomum antes da supercondução a 7 K, deixaram os pesquisadores curiosos sobre a melhor forma de descrever os elétrons de condução no sistema.
Em uma publicação recente em Cartas de revisão física , cientistas da Diamond Light Source, em colaboração com parceiros da ISIS Neutron &Muon Source, bem como do Reino Unido e de universidades internacionais, usaram a linha de luz de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) (I05) para realizar as primeiras medições bem-sucedidas de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido de K 2 Cr 3 Como 3 . Eles detectaram uma assinatura característica de um líquido Tomonoga-Luttinger, que é o modelo teórico para elétrons em um cristal unidimensional. Essas medições confirmam que a imagem unidimensional é verdadeira, o que torna o aparecimento da supercondutividade no sistema ainda mais intrigante.
Idéias diferentes em uma dimensão
Os físicos da matéria condensada têm vários modelos para o comportamento dos elétrons dentro dos sólidos. Freqüentemente, é conveniente pensar que os elétrons estão fortemente ligados a um local atômico específico. Em outros casos, eles pensam que os elétrons estão sendo "deslocados" - os elétrons estão livres para pular de um local para outro. Nesse caso, os elétrons interagem fortemente com os íons na rede e uns com os outros, que rapidamente se transforma em um problema muito complexo de mecânica quântica de muitos corpos. Contudo, no campo entende-se que os estados que emergem desse problema emaranhado são denominados 'quasipartículas', que se comportam um pouco como elétrons individuais, mas podem ter uma "massa efetiva" diferente daquela de um elétron livre. Este conceito é um alicerce de nossa compreensão de metais e semicondutores, e será familiar para qualquer físico de graduação. Mas a imagem das quasipartículas, que funciona tão bem para materiais 3-D e 2-D, teoricamente se decompõe em uma dimensão.
Figura 2:Medições ARPES das dispersões eletrônicas quase 1D em K2Cr3As3, mostrando um esgotamento da intensidade conforme as bandas se aproximam da energia de ligação zero. Crédito:Diamond Light Source
Na verdade, há uma descrição teórica bem estabelecida para elétrons em um cristal unidimensional, conhecido como 'líquido Tomonoga-Luttinger'. Neste cenário, não se considera mais o movimento dos elétrons individuais, mas em vez disso, os elétrons se movem coletivamente, com movimento ondulatório. "Você pode pensar nisso como uma discoteca da escola do 6º ano, "disse o Dr. Matthew Watson, o principal autor do estudo. "Normalmente, todo mundo faz suas próprias coisas, ocasionalmente esbarrando uns nos outros, mas, eventualmente, chega a hora em que todos se reúnem para criar uma linha de conga, que ganha vida própria. "
Evidência de um estado líquido Tomonoga-Luttinger em K quase unidimensional 2 Cr 3 Como 3
A questão experimental é se algo semelhante aos resultados matemáticos para uma dimensão pode existir em um cristal real, e também para descobrir quais propriedades físicas poderiam surgir disso. O material recentemente descoberto K 2 Cr 3 Como 3 oferece uma nova oportunidade para tais investigações. Os cristais deste material são, obviamente, objetos tridimensionais, formando agulhas tão longas. Contudo, os cristais consistem em estruturas semelhantes a cadeias paralelas construídas a partir dos átomos de Cr e As, para que haja claramente uma direção preferida no sistema. Os físicos gostam de chamar esses sistemas de "quase unidimensionais". A questão é; os elétrons de condução se comportam como se estivessem em um sistema verdadeiramente unidimensional, ou o sistema teria estados de quasipartículas afinal?
O Dr. Watson e colegas de trabalho usaram a técnica de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido para investigar os estados eletrônicos em K 2 Cr 3 Como 3 . Em primeiro lugar, usando os recursos de alta resolução da linha de luz I05 em Diamond, eles estabeleceram as 'dispersões' dos estados eletrônicos, ou seja, as formas permitidas para os elétrons se moverem dentro do cristal, e mostrou que isso era inteiramente unidimensional. Além disso, os pesquisadores descobriram que não houve intensidade nas medições para os estados de energia mais baixos. "Na imagem de quase-partícula, esperaríamos encontrar estados eletrônicos até as energias de ligação mais baixas ", disse o Dr. Watson, "mas, em vez disso, vimos um esgotamento total desses estados em nossa medição." Esta observação confirma que a imagem de quasipartícula não se aplica a K 2 Cr 3 Como 3 , mas pode ser entendido naturalmente no contexto de um líquido Tomonoga-Luttinger.
