Ilustração de uma luz laser ultracurta atingindo um cristal de óxido de níquel e estrôncio de lantânio, desencadeando o derretimento de listras em escala atômica. As cargas (amarelo) rapidamente se tornam móveis, enquanto as distorções do cristal reagem apenas com atraso, expondo as interações subjacentes. Crédito:Robert Kaindl / Berkeley Lab
Listras podem ser encontradas em todos os lugares, desde zebras perambulando na selva até a última moda. No mundo da física microscópica, padrões de faixa periódica podem ser formados por elétrons dentro dos chamados materiais quânticos.
Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) desvendaram a dinâmica intrigante de como essas faixas em escala atômica se fundem e se formam, fornecendo insights fundamentais que podem ser úteis no desenvolvimento de novos materiais de energia.
Em materiais quânticos fortemente correlacionados, as interações entre os elétrons reinam supremas. O acoplamento complexo desses elétrons entre si - e com spins de elétrons e vibrações de cristal - resulta em fases exóticas, como ordenação de carga ou supercondutividade de alta temperatura.
"Um objetivo fundamental da física da matéria condensada é entender as forças responsáveis por fases complexas e as transições entre elas, "disse Robert Kaindl, um investigador principal e cientista da equipe da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab. "Mas, no mundo microscópico, as interações costumam ser extremamente rápidas. Se apenas aquecermos ou resfriarmos lentamente um material para mudar sua fase, podemos perder a ação subjacente. "
Kaindl e seus colegas têm usado pulsos de laser ultrarrápidos para separar a dinâmica microscópica de materiais quânticos correlacionados para acessar as interações entre os elétrons e com a rede atômica do cristal no domínio do tempo.
Para este estudo, os pesquisadores trabalharam com níquelato de lantânio, um material quântico e um composto de faixa de modelo. Em particular, os pesquisadores investigaram as cargas eletrônicas que formam o padrão de listras e como elas se acoplam à estrutura do cristal.
A forma como as cargas interagem com o cristal é um ingrediente chave para a física das listras, disseram os pesquisadores.
Robert Kaindl (à esquerda) e Giacomo Coslovich ao lado da configuração experimental que gera pulsos de luz ultracurtos na faixa espectral do infravermelho próximo e terahertz. Crédito:Lingkun Zeng / Berkeley Lab
"A estrutura do cristal distorce fortemente em torno das listras de carga, "disse Giacomo Coslovich, que fez o trabalho enquanto ele era um pesquisador de pós-doutorado no Berkeley Lab. "Esta mudança da simetria do cristal resulta em novas vibrações de rede, que podemos, por sua vez, detectar com luz em frequências terahertz. "
Kaindl e Coslovich são os autores correspondentes de um artigo relatando esses resultados em Avanços da Ciência .
Em seus experimentos, o material é excitado opticamente por um pulso de laser infravermelho próximo com uma duração de 50 femtossegundos, e sondado com um pulso de terahertz com atraso de tempo variável. Um femtossegundo é um milionésimo de um bilionésimo de um segundo.
Os pesquisadores descobriram uma dinâmica inesperada ao usar o laser para interromper a ordem microscópica.
"O interessante é que, embora o laser imediatamente excitasse os elétrons, as distorções vibracionais no cristal inicialmente permaneceram congeladas, "disse Coslovich, que agora é cientista associado da equipe do SLAC National Accelerator Laboratory. "As vibrações da fase de faixa desapareceram apenas depois de várias centenas a alguns milhares de femtossegundos. Também concluímos que a velocidade depende da direção das interações."
A interpretação dos experimentos foi apoiada por simulações da dispersão de fônons por Alexander Kemper da North Carolina State University.
Os resultados fornecem informações importantes sobre as interações, ou "cola, "que acopla os elétrons às vibrações da rede no níquelato de lantânio. No entanto, sua relevância mais ampla decorre de observações recentes da ordem de carga em supercondutores de alta temperatura - materiais onde correntes elétricas podem fluir sem resistência em temperaturas acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido. Embora o mecanismo permaneça intrigante, estudos recentes demonstraram a capacidade de induzir supercondutividade suprimindo listras com pulsos de luz curtos.
"Acredita-se que listras flutuantes ocorram em supercondutores não convencionais. Nosso estudo coloca um limite de velocidade na velocidade de mudança desses padrões, "disse Kaindl." Isso destaca a importância de considerar a estrutura espacial e temporal da cola. "
