Uma equipe liderada pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia encontrou um material quântico raro no qual os elétrons se movem de maneiras coordenadas, essencialmente "dançar". Forçar o material cria uma estrutura de banda eletrônica que prepara o terreno para o exótico, comportamento mais estreitamente correlacionado - semelhante ao tango - entre os elétrons de Dirac, que são portadores de carga elétrica especialmente móveis que podem algum dia habilitar transistores mais rápidos. Os resultados são publicados na revista Avanços da Ciência .

"Combinamos correlação e topologia em um sistema, "disse o co-investigador principal Jong Mok Ok, que concebeu o estudo com o investigador principal Ho Nyung Lee do ORNL. A topologia testa propriedades que são preservadas mesmo quando um objeto geométrico sofre deformação, como quando ela é esticada ou comprimida. "A pesquisa pode ser indispensável para futuras tecnologias de informação e computação, "adicionado Ok, um ex-bolsista de pós-doutorado do ORNL.

Em materiais convencionais, elétrons se movem de forma previsível (por exemplo, letargicamente em isoladores ou energeticamente em metais). Em materiais quânticos em que os elétrons interagem fortemente uns com os outros, as forças físicas fazem com que os elétrons se comportem de maneiras inesperadas, mas correlacionadas; o movimento de um elétron força os elétrons próximos a responder.

Para estudar este tango compacto em materiais quânticos topológicos, Ok liderou a síntese de uma fina película cristalina extremamente estável de um óxido de metal de transição. Ele e seus colegas fizeram o filme usando epitaxia de laser pulsado e esticaram-no para comprimir as camadas e estabilizar uma fase que não existe no cristal em massa. Os cientistas foram os primeiros a estabilizar essa fase.

Usando simulações baseadas em teoria, co-investigador principal Narayan Mohanta, um ex-bolsista de pós-doutorado ORNL, previu a estrutura da banda do material tensionado. "No ambiente tenso, o composto que investigamos, niobato de estrôncio, um óxido de perovskita, muda sua estrutura, criando uma simetria especial com uma nova estrutura de banda de elétrons, "Mohanta disse.

Os diferentes estados de um sistema mecânico quântico são chamados de "degenerados" se tiverem o mesmo valor de energia na medição. Os elétrons têm a mesma probabilidade de preencher cada estado degenerado. Nesse caso, a simetria especial resulta em quatro estados ocorrendo em um único nível de energia.

"Por causa da simetria especial, a degeneração é protegida, "Mohanta disse." A dispersão de elétrons de Dirac que encontramos aqui é nova em um material. "Ele realizou cálculos com Satoshi Okamoto, que desenvolveu um modelo para descobrir como a simetria do cristal influencia a estrutura da banda.

"Pense em um material quântico sob um campo magnético como um edifício de 10 andares com residentes em cada andar, "Ok, postulado." Cada andar é definido, nível de energia quantizado. Aumentar a intensidade do campo é semelhante a acionar um alarme de incêndio que leva todos os residentes até o andar térreo para se encontrarem em um local seguro. Na realidade, ele leva todos os elétrons de Dirac a um nível de energia do solo chamado de limite quântico extremo. "

Lee adicionou, "Confinado aqui, os elétrons se aglomeram. Suas interações aumentam dramaticamente, e seu comportamento se torna interconectado e complicado. "Este comportamento do elétron correlacionado, uma partida de uma imagem de uma única partícula, prepara o terreno para um comportamento inesperado, como o emaranhamento de elétrons. No enredamento, um estado que Einstein chamou de "ação fantasmagórica à distância, "vários objetos se comportam como um só. É a chave para realizar a computação quântica.

"Nosso objetivo é entender o que acontecerá quando os elétrons entrarem no limite quântico extremo, onde encontramos fenômenos que ainda não entendemos, "Lee disse." Esta é uma área misteriosa.

Elétrons rápidos de Dirac são promissores em materiais, incluindo grafeno, isoladores topológicos e certos supercondutores não convencionais. O material exclusivo de ORNL é um semimetal Dirac, em que a valência do elétron e as bandas de condução se cruzam e essa topologia produz um comportamento surpreendente. Ok liderou as medições das fortes correlações de elétrons do semimetal de Dirac.

"Encontramos a maior mobilidade de elétrons em sistemas baseados em óxidos, "Ok disse." Este é o primeiro material Dirac baseado em óxido atingindo o limite quântico extremo. "

Isso é um bom presságio para a eletrônica avançada. A teoria prevê que deve demorar cerca de 100, 000 tesla (uma unidade de medida magnética) para elétrons em semicondutores convencionais para atingir o limite quântico extremo. Os pesquisadores levaram seu material quântico topológico com engenharia de cepas para Eun Sang Choi do Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético da Universidade da Flórida para ver o que seria necessário para conduzir os elétrons ao limite quântico extremo. Lá, ele mediu oscilações quânticas mostrando que o material exigiria apenas 3 tesla para conseguir isso.

Outras instalações especializadas permitiram aos cientistas confirmar experimentalmente o comportamento previsto por Mohanta. Os experimentos ocorreram em baixas temperaturas para que os elétrons pudessem se mover sem serem atingidos pelas vibrações da rede atômica. O grupo de Jeremy Levy na Universidade de Pittsburgh e no Pittsburgh Quantum Institute confirmou as propriedades de transporte quântico. Com difração de raios-X síncrotron, Hua Zhou na Fonte Avançada de Fótons, uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Argonne National Laboratory, confirmou que a estrutura cristalográfica do material estabilizada na fase de filme fino produziu a estrutura de banda de Dirac única. Sangmoon Yoon e Andrew Lupini, ambos ORNL, conduziram experimentos de microscopia eletrônica de transmissão de varredura no ORNL que mostraram que os filmes finos crescidos epitaxialmente tinham interfaces nítidas entre as camadas e que os comportamentos de transporte eram intrínsecos ao niobato de estrôncio tenso.

"Até agora, não poderíamos explorar totalmente a física do limite quântico extremo devido às dificuldades em empurrar todos os elétrons para um nível de energia para ver o que aconteceria, "Lee disse." Agora, podemos empurrar todos os elétrons a este limite quântico extremo, aplicando apenas alguns tesla de campo magnético em um laboratório, acelerando nossa compreensão do emaranhamento quântico. "

O título do Avanços da Ciência papel é "Correlated Oxide Dirac Semimetal in the Extreme Quantum Limit."