Sistema híbrido formado pela combinação de condensado de Bose-Einstein (BEC) e gás de elétron 2D (2DEG) em novos materiais 2D, como MoS2. Elétrons (esferas pretas) se movem em gás de elétrons 2D (2DEG, camada superior), e interagir com outras partículas presentes nas camadas inferiores, onde elétrons fotoexcitados e buracos (esferas cinza, h.) formar pares de elétron-buraco vinculados. As linhas onduladas vermelhas representam as forças de Coulomb agindo entre partículas com cargas opostas. Crédito:IBS
Compreender como as partículas se comportam na zona de penumbra entre o macro e o mundo quântico nos dá acesso a fenômenos fascinantes - interessantes tanto da perspectiva da física fundamental quanto da orientada para a aplicação. Por exemplo, materiais ultrafinos semelhantes ao grafeno são um playground fantástico para examinar o transporte e as interações de elétrons. Recentemente, pesquisadores do Centro de Física Teórica de Sistemas Complexos (PCS), dentro do Institute for Basic Science (IBS, Coreia do Sul), em colaboração com o Rzhanov Institute of Semiconductor Physics (Rússia), relataram um novo fenômeno de espalhamento de elétrons em materiais 2-D. O artigo é publicado em Cartas de revisão física .
A equipe considerou uma amostra composta por dois subsistemas:um composto por partículas com spin inteiro (bósons) e outro composto por partículas com spin meio inteiro (férmions).
Para o componente bosônico, eles modelaram um gás de excitons (pares elétron-pósitron). Em baixas temperaturas, a mecânica quântica pode forçar um grande número de partículas bosônicas a formar um condensado de Bose-Einstein (BEC). Este estado da matéria foi relatado em diferentes materiais, em particular, arsenieto de gálio (GaAs), e foi previsto em dissulfeto de molibdênio (MoS 2 )
O subsistema fermiônico é um gás de elétrons 2-D (2DEG), onde os elétrons são limitados a se mover em duas dimensões. Ele exibe fenômenos magnéticos e elétricos intrigantes, incluindo supercondutividade, isso é, a passagem de corrente sem resistividade. Esses fenômenos estão relacionados ao espalhamento de elétrons, que se deve principalmente a impurezas e fônons. As últimas são vibrações da rede cristalina. Seu nome deriva do grego 'fonos, 'significando som, uma vez que os fônons de comprimento de onda longo dão origem ao som, mas também desempenham um papel na condutividade elétrica dos metais dependente da temperatura.
Resistividade em função da temperatura para MoS2 (vermelho) e GaAs (verde) em sistemas híbridos BEC-2DEG. Curvas tracejadas e sólidas coloridas representam as contribuições não convencionais com um e dois bogolons, respectivamente. Traço preto, pontilhado, e as curvas tracejadas mostram as contribuições de impureza e fônon. Crédito:IBS
Bósons e férmions são muito diferentes no nível quântico, então o que acontece quando combinamos BEC e 2DEG? Kristian Villegas, Meng Sun, Vadim Kovalev, e Ivan Savenko modelaram o transporte de elétrons em tais sistemas híbridos.
Além dos fônons convencionais e impurezas, a equipe descreveu um mecanismo não convencional de espalhamento de elétrons em sistemas híbridos BEC-2DEG:as interações de um elétron com um ou dois quanta de Bogoliubov (ou bogolons) - excitações do BEC com pequenos momentos. Embora fônons e bogolons compartilhem algumas características comuns, a equipe descobriu que eles têm diferenças importantes.
De acordo com os modelos, em MoS de alta qualidade 2 em uma certa faixa de temperaturas, resistividade causada por pares de bogolons provou ser dominante sobre a resistividade causada por bogolons únicos, fônons acústicos, bogolons simples, e impurezas. O motivo dessa diferença é o mecanismo de interação entre elétrons e bogolons, que é de natureza elétrica, em oposição à interação elétron-fônon descrita pelas deformações da amostra.
Esta pesquisa pode ser útil para o projeto de novos supercondutores de alta temperatura. Um aparente paradoxo liga a condutividade à supercondutividade:maus condutores geralmente são bons supercondutores. No caso de interações elétron-fônon, alguns materiais que apresentam baixa condutividade, por causa do forte espalhamento de elétrons pelos fônons, podem se tornar bons supercondutores em temperaturas muito baixas. Pela mesma razão, metais nobres, como ouro, são bons condutores, mas supercondutores ruins. Se isso for verdadeiro também para as interações elétron-bogolon, então os pesquisadores levantam a hipótese de que projetar um mau condutor, com alta resistividade causada por interações elétron-2 com bogolons, pode levar a supercondutores "bons".
“Este trabalho não só abre perspectivas no projeto de estruturas híbridas com dissipação controlável, ele relata a dependência fundamentalmente diferente da temperatura de espalhamento em baixas e altas temperaturas e lança luz sobre a supercondutividade mediada por condensado opticamente controlada, "explica Ivan Savenko, o líder da equipe Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN) na PCS.
