Físicos descobriram um material no qual os átomos estão dispostos de uma maneira que frustra tanto o movimento dos elétrons que eles se envolvem em uma dança coletiva onde suas naturezas eletrônica e magnética parecem competir e cooperar de maneiras inesperadas.
Liderada por físicos da Universidade Rice, a pesquisa foi publicada online hoje na Nature . Em experimentos no Rice, Oak Ridge National Laboratory (ORNL), SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), University of Washington (UW), Princeton University e University of California, Berkeley, pesquisadores estudaram ferro-germânio puro cristais e descobriu ondas estacionárias de elétrons fluidos apareceram espontaneamente dentro dos cristais quando eles foram resfriados a uma temperatura criticamente baixa. Curiosamente, as ondas de densidade de carga surgiram enquanto o material estava em um estado magnético, para o qual havia transitado a uma temperatura mais alta.

"Uma onda de densidade de carga normalmente ocorre em materiais que não têm magnetismo", disse o co-autor correspondente do estudo, Pengcheng Dai, da Rice. "Materiais que têm uma onda de densidade de carga e magnetismo são realmente raros. Ainda mais raros são aqueles em que a onda de densidade de carga e o magnetismo 'conversam' um com o outro, como parecem estar fazendo neste caso."

"Normalmente, a onda de densidade de carga ocorre simultaneamente com o magnetismo ou a uma temperatura mais alta do que a transição magnética", disse ele. "Este caso em particular parece ser especial, porque a onda de densidade de carga realmente ocorre a uma temperatura muito mais baixa do que o magnetismo. Não conhecemos nenhum outro exemplo em que isso realmente aconteça em um material como este, que apresenta uma rede kagome. Isso sugere que pode estar relacionado ao magnetismo."

Os cristais de ferro-germânio usados ​​nos experimentos foram cultivados no laboratório de Dai e apresentam um arranjo distinto de átomos em sua rede cristalina que lembra os padrões encontrados nas cestas kagome japonesas. Triângulos equiláteros na rede forçam os elétrons a interagir e, como eles detestam estar perto um do outro, essa força frustra seus movimentos. O forçamento aumenta à medida que as temperaturas caem, dando origem a comportamentos coletivos como a onda de densidade de carga.

O autor co-correspondente do estudo, Ming Yi, também da Rice, diz que "a onda de densidade de carga é como ondas se formando na superfície do oceano. Ela só se forma quando as condições são adequadas. Neste caso, observamos quando uma característica única em forma de sela apareceu nos estados quânticos em que os elétrons podem viver. A conexão com a ordem magnética é que essa onda de densidade de carga só ocorre quando o magnetismo faz a sela aparecer. Essa é a nossa hipótese."

Os experimentos oferecem um vislumbre tentador das propriedades que os físicos encontrarão em materiais quânticos que possuem características topológicas e aquelas decorrentes de interações eletrônicas fortemente correlacionadas.

Em materiais topológicos, padrões de emaranhamento quântico produzem estados "protegidos" que não podem ser apagados. A natureza imutável dos estados topológicos é de interesse crescente para computação quântica e spintrônica. Os primeiros materiais topológicos eram isoladores não condutores cujos estados protegidos permitiam que conduzissem eletricidade de maneiras limitadas, como em superfícies externas 2D ou ao longo de bordas 1D.

"No passado, os materiais topológicos eram tipos muito fracamente correlacionados", disse Yi, professor assistente de física e astronomia da Rice. “As pessoas usaram esses materiais para realmente entender a topologia dos materiais quânticos, mas o desafio agora é encontrar materiais onde possamos aproveitar os estados topológicos e as fortes correlações eletrônicas”.

Em materiais fortemente correlacionados, as interações de bilhões e bilhões de elétrons dão origem a comportamentos coletivos como supercondutividade não convencional ou as flutuações contínuas entre estados magnéticos em líquidos de spin quântico.

"Para materiais fracamente correlacionados, como os isoladores topológicos originais, os cálculos do primeiro princípio funcionam muito bem", disse Yi. "Apenas com base em como os átomos estão organizados, você pode calcular que tipo de estrutura de banda esperar. Há um caminho muito bom do ponto de vista do design de materiais. Você pode até prever a topologia dos materiais."

"Mas materiais fortemente correlacionados são mais desafiadores", disse ela. "Há uma falta de conexão entre teoria e medição. Portanto, não apenas é difícil encontrar materiais que sejam fortemente correlacionados e topológicos, mas quando você os encontra e os mede, também é muito difícil conectar o que você está medindo. com um modelo teórico que explica o que está acontecendo."

Yi e Dai disseram que os materiais de treliça kagome podem fornecer um caminho a seguir.

"Em algum momento, você quer poder dizer:'Quero fazer um material com comportamentos e propriedades particulares", disse Yi. "Acho que kagome é uma boa plataforma nessa direção, porque existem maneiras de fazer previsões diretas, com base na estrutura do cristal, sobre o tipo de estrutura de banda que você obterá e, portanto, sobre os fenômenos que podem surgir com base nessa estrutura de banda. Tem muitos dos ingredientes certos." + Explorar mais

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