Em materiais fortemente correlacionados, como supercondutores de cuprato de alta temperatura, a supercondutividade pode ser controlada alterando o número de elétrons ou alterando a energia cinética, ou transferir energia, de elétrons no sistema. Embora um grande número de materiais fortemente correlacionados tenham sido examinados com diferentes parâmetros para compreender o mecanismo de supercondutividade, a faixa de controle de parâmetro é sempre limitada. Um método experimental versátil para alcançar o controle simultâneo do número e da transferência de energia dos elétrons é desejado há muito tempo.

Um transistor elétrico de camada dupla flexível (EDLT), ou transistor "correlacionado", composto por um material orgânico fortemente correlacionado foi construído (Fig. 1) por pesquisadores da RIKEN, Instituto de Ciência Molecular (IMS), Universidade de Nagoya e Universidade Toho. O número de elétrons pode ser controlado por tensões de porta do EDLT, e a transferência de energia de elétrons pode ser controlada dobrando o substrato EDLT. Eles descobriram que o sistema mudou de um isolante para um supercondutor em ambos os casos de aumento e diminuição do número de elétrons. Condições para esses estados supercondutores nos dois casos acima, Contudo, foram considerados fundamentalmente diferentes. Além disso, outro estado supercondutor emergiu quando o substrato foi dobrado. O presente resultado foi publicado online em Avanços da Ciência em 10 de maio, 2019.

Os pesquisadores fabricaram o EDLT usando um cristal do material orgânico fortemente correlacionado feito de moléculas BEDT-TTF (bis (etilenoditio) tetratiafulvaleno) (Fig. 1). Ao aplicar a tensão da porta na superfície do cristal, o número de elétrons pode ser aumentado (dopagem de elétrons) e diminuído (dopagem de buraco). Este dispositivo EDLT é flexível, e a energia de transferência pode ser controlada pela aplicação de força mecânica (tensão) da parte de trás do EDLT. Os pesquisadores controlaram com sucesso a supercondutividade em uma amostra idêntica, alterando precisamente a tensão da porta e a deformação.

A Figura 2 mostra as regiões dos estados supercondutores. A abscissa mostra a tensão da porta, que corresponde ao número de elétrons dopados. A ordenada mostra a tensão aplicada ao dispositivo ao dobrar. Com a descida ao longo da ordenada, os elétrons se movem com mais facilidade porque a energia cinética dos elétrons aumenta. A região do estado isolante (vermelho) é circundada pelas regiões dos estados supercondutores (azul). Duas regiões supercondutoras dos lados esquerdo e direito da região isolante são significativamente diferentes em forma na Fig. 2. Especialmente o estado supercondutor apareceu com um número crescente de elétrons (o lado direito na Fig. 2) mostra um comportamento notável que o estado apareceu repentinamente com um aumento de alguns por cento do número de elétrons e desapareceu com a adição de elétrons em excesso. Os estados supercondutores podem ser obtidos aumentando e diminuindo o número de elétrons. Contudo, as características dos dois estados são fundamentalmente diferentes.

O diagrama de fase bidimensional (Fig. 2) foi assim obtido usando a amostra única. O diagrama mostra a natureza da transição de fase supercondutora, que foi antecipado a partir de dados coletados de muitas amostras diferentes antes que este dispositivo apareça. Portanto, este método experimental recentemente desenvolvido acelera para obter os diagramas de fase. Mais fundamentalmente, desenhar o diagrama de fase completo da mesma amostra nos permite obter resultados mais confiáveis, independentemente dos efeitos da impureza e da diferença nas estruturas cristalinas.

Este método experimental pode ser aplicado a vários materiais orgânicos fortemente correlacionados. Um exemplo interessante é o líquido quântico de spin, no qual as direções dos spins do elétron estão se movendo aleatoriamente, mesmo a 0 Kelvin. Experimentos com o líquido de spin quântico revelarão a relação entre a supercondutividade e o magnetismo (arranjo dos spins do elétron). Também é notável que o diagrama de fase do sistema de elétrons fortemente correlacionado é um alvo significativo de simuladores quânticos. O presente resultado fornece uma solução padrão possível para os métodos de cálculo em desenvolvimento.