Ao explorar as propriedades dos nêutrons para sondar elétrons em um metal, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) ganhou uma nova visão sobre o comportamento de sistemas de elétrons correlacionados, que são materiais que têm propriedades úteis, como magnetismo ou supercondutividade.

A pesquisa, a ser publicado em Ciência , mostra o quão bem os cientistas podem prever as propriedades e funcionalidade dos materiais, permitindo-nos explorar seu potencial para serem usados ​​de novas maneiras.

"Nossa missão do Departamento de Energia é descobrir e entender novos materiais que podem formar a base para aplicações completamente novas, "disse o autor principal Ray Osborn, um cientista sênior do Grupo de Dispersão de Nêutrons e Raios-X de Argonne.

Osborn e seus colegas estudaram um sistema eletrônico fortemente correlacionado (CePd ₃ ) usando espalhamento de nêutrons para superar as limitações de outras técnicas e revelar como as propriedades elétricas do composto mudam em altas e baixas temperaturas. Osborn espera que os resultados inspirem pesquisas semelhantes.

"Ser capaz de prever com confiança o comportamento dos elétrons à medida que as temperaturas mudam deve encorajar um acoplamento muito mais ambicioso de resultados experimentais e modelos do que foi tentado anteriormente, "Osborn disse.

"Em muitos metais, consideramos os elétrons móveis responsáveis ​​pela condução elétrica movendo-se independentemente uns dos outros, apenas fracamente afetado pela repulsão elétron-elétron, "disse ele." No entanto, há uma importante classe de materiais em que as interações elétron-elétron são tão fortes que não podem ser ignoradas. "

Os cientistas estudaram esses sistemas de elétrons fortemente correlacionados por mais de cinco décadas, e uma das previsões teóricas mais importantes é que em altas temperaturas as interações de elétrons causam flutuações aleatórias que impedem sua mobilidade.

"Eles se tornam metais 'ruins', "Osborn disse. No entanto, em baixas temperaturas, as excitações eletrônicas começam a se assemelhar às de metais normais, mas com velocidades de elétrons muito reduzidas.

A existência desse cruzamento de flutuações aleatórias incoerentes em alta temperatura para estados eletrônicos coerentes em baixa temperatura foi postulada em 1985 por um dos co-autores, Jon Lawrence, um professor da Universidade da Califórnia, Irvine. Embora haja alguma evidência disso em experimentos de fotoemissão, O co-autor de Argonne, Stephan Rosenkranz, observou que é muito difícil comparar essas medições com cálculos teóricos realistas porque há muitas incertezas na modelagem das intensidades experimentais.

O time, baseado principalmente em Argonne e outros laboratórios DOE, mostraram que nêutrons sondam os elétrons de uma maneira diferente que supera as limitações da espectroscopia de fotoemissão e outras técnicas.

Tornando este trabalho possível são os avanços na espectroscopia de nêutrons na Fonte de Nêutrons de Espalação (SNS) do DOE no Laboratório Nacional de Oak Ridge, um DOE Office of Science User Facility, e a fonte de nêutrons pulsados ​​ISIS do Reino Unido, que permitem medições abrangentes em uma ampla gama de transferências de energia e momento. Ambos desempenharam papéis críticos neste estudo.

"Os nêutrons são absolutamente essenciais para esta pesquisa, "Disse Osborn." O espalhamento de nêutrons é a única técnica que é sensível a todo o espectro de flutuações eletrônicas em quatro dimensões de momento e energia, e a única técnica que pode ser comparada de forma confiável com cálculos teóricos realistas em uma escala de intensidade absoluta. "

Com este estudo, essas medições quadridimensionais foram agora diretamente comparadas aos cálculos usando novas técnicas computacionais especialmente desenvolvidas para sistemas eletrônicos fortemente correlacionados. A tecnica, conhecida como Teoria do Campo Médio Dinâmico, define uma maneira de calcular propriedades eletrônicas que incluem fortes interações elétron-elétron.

Osborn reconheceu as contribuições de Eugene Goremychkin, um ex-cientista de Argonne que liderou a análise de dados, e o teórico de Argonne Hyowon Park, quem realizou os cálculos. A concordância entre teoria e experimentos era "verdadeiramente notável, "Osborn disse.

Olhando para a frente, os pesquisadores estão otimistas quanto a fechar a lacuna entre os resultados dos experimentos da física da matéria condensada e os modelos teóricos.

"Como você chega a um estágio em que os modelos são confiáveis?" Osborn disse. "Este artigo mostra que agora podemos modelar teoricamente até mesmo sistemas extremamente complexos. Essas técnicas podem acelerar nossa descoberta de novos materiais."