Pela primeira vez, pesquisadores foram capazes de registrar, quadro por quadro, como um elétron interage com certas vibrações atômicas em um sólido. A técnica captura um processo que comumente causa resistência elétrica em materiais, enquanto, em outros, pode causar exatamente o oposto - a ausência de resistência, ou supercondutividade.

"A maneira como os elétrons interagem entre si e com seu ambiente microscópico determina as propriedades de todos os sólidos, "disse MengXing Na, um Ph.D. da University of British Columbia (UBC). aluno e co-autor principal do estudo, publicado na semana passada em Ciência . "Uma vez que identificamos as interações microscópicas dominantes que definem as propriedades de um material, podemos encontrar maneiras de 'aumentar' ou 'diminuir' a interação para obter propriedades eletrônicas úteis. "

O controle dessas interações é importante para a exploração tecnológica de materiais quânticos, incluindo supercondutores, que são usados ​​em máquinas de ressonância magnética, trens de levitação magnética de alta velocidade, e pode um dia revolucionar a forma como a energia é transportada.

Em pequenas escalas, átomos em todos os sólidos vibram constantemente. As colisões entre um elétron e um átomo podem ser vistas como um evento de 'espalhamento' entre o elétron e a vibração, chamado de phonon. O espalhamento pode fazer com que o elétron mude tanto sua direção quanto sua energia. Essas interações elétron-fônon estão no cerne de muitas fases exóticas da matéria, onde os materiais exibem propriedades únicas.

Com o apoio da Fundação Gordon e Betty Moore, a equipe do Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) da UBC desenvolveu uma nova fonte de laser ultravioleta extremo para permitir uma técnica chamada espectroscopia de fotoemissão resolvida no tempo para visualizar processos de espalhamento de elétrons em escalas de tempo ultravioleta.

"Usando um pulso de laser ultracurto, nós excitamos elétrons individuais longe de seu ambiente de equilíbrio usual, "disse Na." Usando um segundo pulso de laser como um obturador de câmera eficaz, capturamos como os elétrons se espalham com os átomos circundantes em escalas de tempo mais rápidas do que um trilionésimo de segundo. Devido à alta sensibilidade de nossa configuração, fomos capazes de medir diretamente - pela primeira vez - como os elétrons excitados interagiram com uma vibração atômica específica, ou phonon. "

Os pesquisadores realizaram o experimento em grafite, uma forma cristalina de carbono e o composto original de nanotubos de carbono, Bolas de bucky e grafeno. A eletrônica baseada em carbono é uma indústria em crescimento, e os processos de espalhamento que contribuem para a resistência elétrica podem limitar sua aplicação em nanoeletrônica.

A abordagem aproveita uma instalação de laser exclusiva concebida por David Jones e Andrea Damascelli, e desenvolvido pelo co-autor Arthur Mills, no UBC-Moore Center for Ultrafast Quantum Matter. O estudo também foi apoiado por colaborações teóricas com os grupos de Thomas Devereaux na Stanford University e Alexander Kemper na North Carolina State University.

"Graças aos avanços recentes nas fontes de laser pulsado, estamos apenas começando a visualizar as propriedades dinâmicas dos materiais quânticos, "disse Jones, um professor do SBQMI da UBC e do departamento de Física e Astronomia.

"Ao aplicar essas técnicas pioneiras, agora estamos prontos para revelar o mistério indescritível da supercondutividade de alta temperatura e muitos outros fenômenos fascinantes da matéria quântica, "disse Damascelli, diretor científico do SBQMI.