Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI e do Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL), trabalhando em uma equipe internacional, desenvolveram um novo método para estudos complexos de raios-X que ajudará a compreender melhor os chamados metais correlacionados. Esses materiais podem ser úteis para aplicações práticas em áreas como supercondutividade, processamento de dados, e computadores quânticos. Hoje os pesquisadores apresentam seus trabalhos na revista. Revisão Física X .

Em substâncias como silício ou alumínio, a repulsão mútua de elétrons dificilmente afeta as propriedades do material. Não é assim com os chamados materiais correlatos, em que os elétrons interagem fortemente uns com os outros. O movimento de um elétron em um material correlacionado leva a uma reação complexa e coordenada dos outros elétrons. São precisamente esses processos acoplados que tornam esses materiais correlacionados tão promissores para aplicações práticas, e ao mesmo tempo tão complicado de entender.

Materiais fortemente correlacionados são candidatos para novos supercondutores de alta temperatura, que podem conduzir eletricidade sem perdas e que são usados ​​na medicina, por exemplo, na ressonância magnética. Eles também podem ser usados ​​para construir componentes eletrônicos, ou mesmo computadores quânticos, com o qual os dados podem ser processados ​​e armazenados com mais eficiência.

"Materiais fortemente correlacionados exibem uma grande variedade de fenômenos fascinantes, "diz Thorsten Schmitt, chefe do Grupo de Espectroscopia de Materiais Novos no PSI:"No entanto, continua a ser um grande desafio compreender e explorar o comportamento complexo que está por trás desses fenômenos. "Schmitt e seu grupo de pesquisa abordam essa tarefa com a ajuda de um método para o qual eles usam a radiação de raios-X intensa e extremamente precisa da Swiss Light Fonte SLS em PSI. Esta técnica moderna, que foi desenvolvido no PSI nos últimos anos, é chamado de espalhamento de raios-X inelástico ressonante, ou RIXS para breve.

Os raios X excitam os elétrons

Com RIXS, raios X suaves são espalhados por uma amostra. O feixe de raios-X incidente é sintonizado de tal forma que eleva os elétrons de um orbital de elétrons inferior para um orbital superior, o que significa que ressonâncias especiais são estimuladas. Isso desequilibra o sistema. Vários processos eletrodinâmicos o levam de volta ao estado fundamental. Parte do excesso de energia é emitida novamente como luz de raios-X. O espectro dessa radiação espalhada de forma inelástica fornece informações sobre os processos subjacentes e, portanto, sobre a estrutura eletrônica do material.

"Nos últimos anos, RIXS se tornou uma ferramenta experimental poderosa para decifrar a complexidade de materiais correlacionados, "Schmitt explica. Quando usado para investigar isoladores correlacionados em particular, Funciona muito bem. Até agora, Contudo, o método não teve sucesso em sondar metais correlacionados. Sua falha foi devido à dificuldade de interpretar os espectros extremamente complicados causados ​​por muitos processos eletrodinâmicos diferentes durante o espalhamento. "Neste contexto, a colaboração com os teóricos é essencial, "explica Schmitt, "porque podem simular os processos observados no experimento."

Cálculos de metais correlacionados

Esta é uma especialidade do físico teórico Keith Gilmore, anteriormente no Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL) nos EUA e agora na Universidade Humboldt em Berlim. "Calcular os resultados RIXS para metais correlacionados é difícil porque você tem que lidar com vários orbitais de elétrons, grandes larguras de banda, e um grande número de interações eletrônicas ao mesmo tempo, "diz Gilmore. Isoladores correlacionados são mais fáceis de manusear porque menos orbitais estão envolvidos; isso permite cálculos de modelo que incluem explicitamente todos os elétrons. Para ser preciso, Gilmore explica:"Em nosso novo método de descrição dos processos RIXS, agora estamos combinando as contribuições que vêm da excitação de um elétron com a reação coordenada de todos os outros elétrons. "

Para testar o cálculo, os pesquisadores do PSI experimentaram uma substância que o cientista Jonathan Pelliciari do BNL investigou em detalhes como parte de sua tese de doutorado no PSI:arsenieto de ferro-bário. Se você adicionar uma quantidade específica de átomos de potássio ao material, torna-se supercondutor. Ele pertence a uma classe de supercondutores não convencionais à base de ferro de alta temperatura que devem fornecer uma melhor compreensão do fenômeno. "Até agora, a interpretação das medições RIXS em tais materiais complexos foi guiada principalmente pela intuição. Agora, esses cálculos RIXS nos dão aos experimentadores uma estrutura que permite uma interpretação mais prática dos resultados. Nossas medições RIXS em PSI em arseneto de ferro-bário estão em excelente acordo com os perfis calculados, "Pelliciari diz.

Combinação de experimento e teoria

Em seus experimentos, os pesquisadores investigaram a física em torno do átomo de ferro. "Uma vantagem do RIXS é que você pode se concentrar em um componente específico e examiná-lo em detalhes para materiais que consistem em vários elementos, "Schmitt diz. O feixe de raios-X bem ajustado faz com que um elétron interno no átomo de ferro seja elevado do estado fundamental no nível do núcleo para a banda de valência de energia mais alta, que está apenas parcialmente ocupado. Essa excitação inicial do elétron central pode causar mais excitações secundárias e desencadear muitos processos de decaimento complicados que, em última análise, se manifestam em estruturas de satélites espectrais. (Veja o gráfico.)

Como as contribuições das muitas reações às vezes são pequenas e próximas umas das outras, é difícil descobrir quais processos realmente ocorreram no experimento. Aqui, a combinação de experimento e teoria ajuda. "Se você não tem suporte teórico para experimentos difíceis, você não consegue entender os processos, isso é, a física, em detalhe, "Schmitt diz. O mesmo também se aplica à teoria:" Muitas vezes você não sabe quais teorias são realistas até que você possa compará-las com um experimento. O progresso na compreensão ocorre quando o experimento e a teoria são reunidos. Este método descritivo, portanto, tem o potencial de se tornar uma referência para a interpretação de experimentos espectroscópicos em metais correlacionados. "

A equipe internacional publicou seu trabalho na revista Revisão Física X .