Os materiais quânticos exibem comportamentos exóticos devido aos efeitos da mecânica quântica, ou como a matéria age na escala muito pequena de átomos e partículas subatômicas. As propriedades tecnologicamente relevantes de materiais quânticos resultam de interações complexas de carga de elétrons, orbital, e spin e seu acoplamento à estrutura cristalina do material. Por exemplo, em alguns materiais, os elétrons podem fluir livremente sem qualquer resistência; este fenômeno, chamado supercondutividade, poderia ser aproveitado para transmitir energia com mais eficiência. Tipicamente, essas propriedades surgem em baixa temperatura, onde os cristais exibem baixa simetria estrutural (quebrada).

"Não surpreendentemente, este regime de baixa temperatura é bem estudado, "disse Emil Bozin, um físico do Grupo de Espalhamento de Raios-X da Divisão de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais (CMPMS) do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE). "Enquanto isso, o regime de alta temperatura permanece amplamente inexplorado porque está associado a uma simetria relativamente alta, o que é considerado desinteressante. "

Mas Bozin e seus colegas descobriram recentemente estados de quebra de simetria local em altas temperaturas. Esses estados locais estão associados a orbitais eletrônicos (regiões dentro de um átomo onde os elétrons são mais prováveis ​​de serem encontrados) que servem como "precursores" de elevação da degenerescência orbital (ODL) para o que acontece em baixa temperatura. A degenerescência orbital se refere a quando os orbitais têm a mesma energia. O levantamento desta degenerescência significa que alguns orbitais terão uma energia relativamente mais alta e outros uma energia mais baixa.

"Achamos que esses estados locais são, de alguma forma, habilitadores das propriedades materiais de interesse que se materializam em temperaturas muito mais baixas, "explicou Bozin.

Os cientistas observaram esses estados locais pela primeira vez em 2019 em um material (sulfeto de cobre e irídio) com uma transição metal-isolante e em um supercondutor à base de ferro. Agora, a equipe - representando o Brookhaven Lab; Oak Ridge National Laboratory do DOE; Universidade do Tennessee, Knoxville; e a Universidade de Columbia - os encontrou em um isolante contendo sódio, titânio, silício, e oxigênio. Este material isolante é um dos minerais que formam o manto superior da Terra. Além do interesse geológico, é um candidato para líquidos de spin quântico (QSLs), um estado exótico da matéria em que os spins do elétron permanecem fluidos até as temperaturas mais baixas, constantemente flutuando. QSLs podem fornecer uma plataforma de material para computação quântica, spintrônica (eletrônica baseada no spin do elétron em vez de carga), supercondutividade, e outras tecnologias.

"Nossos resultados sugerem que este comportamento do precursor do ODL em alta temperatura pode ser bastante comum e deve ser considerado em estudos teóricos para compreender as propriedades funcionais dos materiais quânticos, "disse o físico Weiguo Yin, do Grupo de Teoria da Matéria Condensada da Divisão CMPMS.

Para sondar a estrutura atômica do material, a equipe analisou como o material espalhou nêutrons e raios-X. Ambas as sondas são necessárias por causa de suas diferentes sensibilidades a elementos particulares com base no peso atômico. Ao contrário dos raios X, nêutrons podem distinguir elementos leves, como oxigênio. Com os padrões de espalhamento de nêutrons e raios-X, o arranjo local dos átomos pode ser deduzido através da função de distribuição de pares atômicos (PDF), que descreve as distâncias entre os diferentes átomos em uma amostra. Usando software, os cientistas podem então encontrar o modelo estrutural que melhor se adapta à função experimental de PDF atômica.

Sua análise revelou assinaturas de quebra de simetria local muito acima da temperatura na qual o material sofre uma transição estrutural para formar dímeros de titânio (duas moléculas ligadas entre si). Quando o material é aquecido, esses dímeros parecem desaparecer, mas realmente, eles ficam por perto, evoluindo para um estado de EAD dual.

"A alta temperatura, estado de alta simetria cristalográfica assume a presença de degenerescência orbital, mas a degeneração orbital pode não ser energeticamente favorável, "disse Bozin." Como vemos aqui, os dímeros são substituídos, e o que resta é uma estrutura de cristal distorcida localmente. Essa distorção levanta a degeneração de dois orbitais e permite que o sistema entre em um estado de energia mais baixa. "

Próximo, a equipe planeja adaptar as propriedades orbitais neste material, por exemplo, trocando titânio por rutênio, que mudará a contagem de elétrons e prevê-se que forneça um melhor QSL. Eles também verão se os precursores do EAD existem em outros materiais e como eles estão relacionados a fenômenos de interesse, como supercondutividade. Em particular, eles gostariam de explorar sistemas com diferentes graus de acoplamento spin-órbita, que é um mecanismo alternativo para o EAD.

"A descoberta desses precursores orbitais nos ajuda a entender melhor a competição entre os diferentes estados quânticos de baixa temperatura - um entendimento que nos permitirá inclinar o campo de jogo para obter materiais com as propriedades de baixa temperatura desejadas, "disse Simon Billinge, um físico do Grupo de Espalhamento de Raios-X da Divisão CMPMS e professor de ciência e engenharia de materiais e de física aplicada e matemática na Universidade de Columbia.