Por muitos anos, a comunidade da física da matéria condensada tem tentado obter uma melhor compreensão dos sistemas materiais constituídos por partículas que interagem fortemente. Interessantemente, muitos metais podem ser descritos como sistemas com elétrons que interagem fracamente de maneira eficaz, mesmo que as interações entre os elétrons sejam tipicamente muito fortes.

Os elétrons têm uma carga e quando interagem com outros elétrons, eles se afetam mutuamente. Apesar disso, Por uma variedade de razões, em metais, essas interações apenas alteram parâmetros específicos (por exemplo, a massa efetiva do elétron), mas não afetam a estrutura subjacente do sistema, que age como se ainda contivesse elétrons livres (ou seja, elétrons que não estão ligados a átomos ou moléculas e podem, portanto, responder a forças externas). Essa observação foi teoricamente enquadrada no contexto do que é conhecido como a "teoria dos líquidos de Landau Fermi".

Pesquisadores da Universidade de Illinois, Universidade Johns Hopkins, CUNY College of Staten Island e University of Colorado Boulder recentemente usaram uma nova técnica que desenvolveram para investigar a possibilidade de um sistema eletrônico fortemente desordenado e altamente correlacionado e desordenado (ou seja, silício dopado com fósforo) poderia ser mapeado para um sistema de excitações localizadas e não interagentes. Seus experimentos levaram à observação de um fenômeno único que eles apelidaram de vidro Fermi marginal.

O estudo desses pesquisadores também se baseia no trabalho de Phil Anderson, que ganhou o prêmio Nobel em 1977 após ter mostrado que as ondas não podiam se propagar em sistemas com aleatoriedade suficientemente forte. Este fenômeno de onda genérico, agora conhecido como localização Anderson, se aplica a muitos tipos de ondas, incluindo acústico, ondas eletromagnéticas e de matéria neutra.

No passado, alguns teóricos sugeriram que a localização de Anderson também se aplica a ondas eletrônicas (ou seja, as ondas dentro das quais os elétrons se propagam, no contexto da mecânica quântica). Apesar disso, a validade desta previsão ainda não foi confirmada, particularmente dado que os elétrons interagem fortemente entre si devido à sua carga.

"Ondas de elétrons de forte interação podem certamente ser localizadas por desordem, mas se eles fazem isso de maneira consistente com a localização do Anderson não está claro, "Peter Armitage, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "As interações são fortes em um isolante, mas a questão essencial é se eles são ou não efetivamente irrelevantes, como em muitos metais. Nosso trabalho mostra, pela primeira vez, que eles não são irrelevantes. "

Essencialmente, Armitage, Fahad Mahmood e seus colegas descobriram a primeira evidência experimental sugerindo que a localização de Anderson não se aplica às ondas de elétrons. Para conduzir seus experimentos, eles usaram uma nova técnica que desenvolveram chamada espectroscopia coerente THz 2-D. Esta técnica se baseia em avanços recentes na tecnologia THz, que possibilitou a geração de campos elétricos de grande alcance THz.

Os grandes campos gerados por novas tecnologias THz permitem aos cientistas coletar medições de não linearidades ópticas THz. Usando espectroscopia coerente THz 2-D, os pesquisadores procuraram a assinatura das interações entre os elétrons simplesmente procurando a assinatura das interações efetivas entre os fótons THz que usaram.

"Quando um sistema físico é excitado, alguma taxa dessa energia sempre sai do sistema, "Explicou Armitage." Devido ao fato de que as interações são sentidas de maneira fraca na maioria dos metais, nestes materiais, essa taxa é muito pequena. Contudo, usando espectroscopia THz 2-D, descobrimos que nesses materiais a taxa não é pequena, e é, na verdade, proporcional à frequência usada para excitar o sistema. "

As descobertas sugerem que as excitações no silício dopado com fósforo e, potencialmente, em outros sistemas semelhantes não podem ser consideradas "fracamente interagindo". Assim como com muitos metais, não há nenhuma evidência para apoiar uma descrição sem interação. Por outro lado, eles descobriram que existem interações nesses sistemas isolantes, mas que sua força é simplesmente proporcional à frequência empregada para excitá-los.

"A fenomenologia que observamos pode ser descrita com o termo 'líquido Fermi marginal, "um estado que foi proposto para existir em materiais como o estado normal dos supercondutores de cuprato, a compreensão do que ainda nos escapa, "Armitage disse.

O estudo recente realizado por esta equipe de pesquisadores mostra claramente que o silício dopado deve ser descrito como um sistema de interação intrinsecamente forte. No futuro, esta descoberta crucial pode inspirar outras equipes a realizar experimentos semelhantes, o que poderia, em última análise, ampliar a compreensão atual de outros sistemas de elétrons desordenados, como supercondutores de cuprato.

"Agora estamos aplicando a mesma técnica usada em nosso estudo para outros materiais quânticos interessantes, como líquidos de spin quântico, mas também estamos trabalhando para obter mais informações sobre o vidro marginal Fermi, "Armitage disse." Com relação ao comportamento que encontramos, também há muito a ser entendido teoricamente. Esperamos que os teóricos usem construções teóricas sofisticadas para lidar com esse comportamento. "

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