Em 2016, o físico J.C. Séamus Davis descobriu um estado indescritível de matéria quântica nos cupratos, que são materiais de óxido de cobre misturados com outros átomos. Isso lançou um novo subcampo no estudo de materiais quânticos.

Mas se isso era um fenômeno único nos cupratos ou uma propriedade universal e importante da natureza, permaneceu desconhecido - até agora.

Usando uma versão melhorada da tecnologia de microscópio quântico radicalmente nova que ele desenvolveu para este propósito, Davis e sua equipe encontraram agora o mesmo estado exótico de matéria quântica em um tipo de material amplamente usado e convencional, os dichalcogenetos de metais de transição (TMD).

Seu papel, "Descoberta de um estado de onda de densidade de par de Cooper em um dichalcogeneto de metal de transição, "publicado em 25 de junho em Ciência . Os co-autores incluem os bolsistas de pós-doutorado de Cornell, Xiaolong Liu e Yi Xue Chong, e Rahul Sharma, Ph.D. '20, um pós-doutorado na Universidade de Maryland.

Ondas de densidade de par de Cooper são uma forma de matéria quântica exótica em que pares de elétrons - em vez de formar um "supercondutor convencional, "onde todos estão no mesmo estado de movimento livre - congelar em um cristal de par de elétrons, também conhecido como estado de onda de densidade de par (PDW).

A descoberta de que existem PDWs em materiais padrão como TMDs é emocionante, Davis disse, porque fornecem uma plataforma rica para a descoberta de novos estados da matéria quântica e para o desenvolvimento de novas tecnologias.

"O estudo de materiais TMD recentemente se tornou um dos tópicos mais quentes da física da matéria condensada, "disse Davis, James Gilbert White Distinto Professor Emérito de Física na Faculdade de Artes e Ciências (A&S), que também tem cátedras na Universidade de Oxford, na Inglaterra, e University College Cork, na Irlanda. "Existem centenas desses materiais no mundo e são amplamente utilizados em tecnologia ou pesquisa, inclusive por vários grupos em Cornell. "

Davis quebrou seu próprio recorde de resolução espacial com o microscópio de tunelamento Josephson que ele inventou, melhorá-lo neste estudo por um fator de cerca de 100 (de nanômetros até cerca de 10 picômetros). Ele também aumentou a eficiência da imagem por um fator de cerca de 250, reduzindo o tempo de aquisição de imagem da matriz de junção Josephson de um mês para algumas horas.

Como o microscópio é extremamente sensível a vibrações e a ruídos acústicos e mecânicos e, portanto, foi projetado para operar sem seres humanos no laboratório, Davis disse que a pandemia teve impacto mínimo em seu uso para a pesquisa.

"Se todos os preparativos forem feitos corretamente, você pressiona o botão e o microscópio faz seu trabalho silenciosamente, sem ninguém no laboratório. O microscópio armazena a imagem e avisa quando está pronto, "disse Davis." Cada experimento individual dura cerca de 10 dias, embora toda a campanha experimental leve anos. "

A descoberta do TMD será uma bênção para muitos físicos em Cornell que fazem pesquisas inovadoras de materiais quânticos, Davis disse, "incluindo teóricos como Eun-Ah Kim [professor de física em A&S], cujas teorias sobre este exótico estado da matéria podem agora ser submetidas a testes experimentais. "

O trabalho foi financiado pela Fundação Gordon and Betty Moore, Davis disse que também financiou o desenvolvimento do microscópio de tunelamento Josephson quando ninguém mais o faria.

"Acreditava-se que tal microscópio era extremamente difícil, senão impossível de implementar, "disse Davis, "mas a Fundação Moore assumiu o risco. Eles merecem uma grande parte do crédito por esta nova tecnologia de visualização de matéria quântica."