Um experimento recente detalhado na revista Nature está desafiando nossa imagem de como os elétrons se comportam em materiais quânticos. Usando camadas empilhadas de um material chamado ditelureto de tungstênio, os pesquisadores observaram elétrons em duas dimensões se comportando como se estivessem em uma única dimensão – e no processo criaram o que os pesquisadores afirmam ser um novo estado eletrônico da matéria.
"Este é realmente um horizonte totalmente novo", disse Sanfeng Wu, professor assistente de física da Universidade de Princeton e autor sênior do artigo. "Conseguimos criar uma nova fase eletrônica com este experimento - basicamente, um novo tipo de estado metálico."

Nossa compreensão atual do comportamento dos elétrons interagindo em metais pode ser descrita por uma teoria que funciona bem com sistemas bi e tridimensionais, mas falha ao descrever a interação de elétrons em uma única dimensão.

"Esta teoria descreve a maioria dos metais que conhecemos", disse Wu. "Ele afirma que os elétrons no metal, embora interagindo fortemente, devem se comportar como elétrons livres, exceto que podem ter valores diferentes em algumas quantidades características, como a massa e o momento magnético".

Em sistemas unidimensionais, no entanto, essa "teoria do líquido de Fermi" dá lugar a outra teoria, "a teoria do líquido de Luttinger", para descrever a interação entre os elétrons.

"A teoria do líquido de Luttinger fornece um ponto de partida básico para entender os elétrons que interagem em uma dimensão", disse Wu. "Elétrons em uma rede unidimensional são tão fortemente correlacionados uns com os outros que, em certo sentido, eles começam a não agir como elétrons livres."

A teoria do líquido de Fermi foi apresentada pela primeira vez pelo vencedor do Prêmio Nobel L.D. Landau. A teoria de Luttinger passou por um longo processo de refinamento antes de se tornar amplamente aceita pelos físicos. Um modelo teórico foi proposto pela primeira vez pelo vencedor do Prêmio Nobel japonês Shinichiro Tomonaga na década de 1950, disse Wu, e foi formulado independentemente por J.M. Luttinger no final de 1963.

Luttinger, no entanto, forneceu uma solução inadequada e, assim, o matemático e físico de Princeton Elliott Lieb, hoje professor emérito de física Eugene Higgins, aceitou o desafio em 1965, fornecendo uma solução correta. Outro físico e ganhador do Prêmio Nobel, F. Duncan Haldane, professor de física da Universidade Sherman Fairchild de Princeton, usou o modelo em 1981 para entender os efeitos de interação de metais unidimensionais. Haldane cunhou o termo "líquidos de Luttinger" e lançou as bases para a teoria moderna dos líquidos de Luttinger como uma descrição geral para metais unidimensionais.

Por muito tempo, essas duas teorias – a teoria do líquido de Fermi e a teoria do líquido de Luttinger – foram centrais para nossa compreensão do comportamento dos elétrons na física da matéria condensada, de acordo com sua dimensionalidade.

Mas há indícios de que as interações dos elétrons são muito mais complexas do que essa simples classificação. Philip Anderson, outro ganhador do Prêmio Nobel e físico de Princeton, propôs na década de 1990 que poderia haver certos casos "exóticos" em que o comportamento dos elétrons em sistemas bidimensionais, em raras ocasiões, também poderia seguir as previsões da teoria líquida de Luttinger. Em outras palavras, embora os elétrons em sistemas bidimensionais sejam tipicamente explicados pela teoria do líquido de Fermi, Anderson se perguntou se esses elétrons poderiam se comportar contra-intuitivamente como um líquido de Luttinger, como se estivessem em um sistema unidimensional.

Isso era em grande parte hipotético. Não houve experimentos que pudessem ser conectados a esses casos exóticos, disse Wu.

Até agora.

Através da experimentação, Wu e sua equipe descobriram que os elétrons em uma estrutura de material bidimensional especialmente criada, quando resfriados a temperaturas muito baixas, de repente começaram a se comportar como previsto pela teoria do líquido de Luttinger. Em outras palavras, eles estavam agindo como elétrons correlacionados em um estado unidimensional.

Os pesquisadores realizaram seu experimento usando um material chamado ditelureto de tungstênio (WTe₂ ), um semimetal em camadas. Um semimetal é um composto que possui propriedades intermediárias que o colocam entre metais e isolantes. Os pesquisadores de Princeton Leslie Schoop, professor assistente de química, e Robert Cava, professor de química Russell Wellman Moore, e suas equipes criaram cristais de ditelureto de tungstênio da mais alta qualidade. A equipe de Wu então criou camadas atômicas únicas desse material e empilhou duas delas verticalmente para o estudo.

"Nós empilhamos monocamadas de ditelureto de tungstênio umas sobre as outras e usamos um ângulo de torção de 5 ou 6 graus", disse Pengjie Wang, co-autor do artigo e pesquisador associado de pós-doutorado. Isso criou uma grande treliça retangular chamada padrão moiré, que se assemelha a um design têxtil francês comum.

A equipe originalmente pretendia observar como o ângulo de torção afetaria os outros tipos de fenômenos quânticos no ditelureto de tungstênio. Mas o que eles encontraram os surpreendeu.

"No início, ficamos confusos com os resultados", disse Wang. "Mas acabou dando certo."

Os pesquisadores observaram que os elétrons, em vez de agirem livremente, começaram a se reunir fortemente em uma matriz linear indicativa de elétrons em um sistema unidimensional.

"O que você tem aqui é realmente um estado metálico bidimensional que não é descrito pela teoria padrão do líquido de Fermi", disse Wu. "Pela primeira vez, encontramos uma fase eletrônica completamente nova da matéria em duas dimensões descrita pela teoria do líquido de Luttinger."

Guo Yu, co-primeiro autor do artigo e estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e de computação, descreveu as propriedades do material como notavelmente comutáveis ​​entre uniformes em todas as direções (isotrópicas) ou variando fortemente nas propriedades físicas quando medidas em diferentes direções ( anisotrópico).

"O que é único para o nosso sistema de ditelureto de tungstênio de bicamada torcida é que, ao contrário da maioria dos outros materiais de monocamada e suas superredes de moiré que são isotrópicas, o padrão de moiré em nossa amostra é altamente anisotrópico, crucial para hospedar a física unidimensional", Yu disse.

Uma nova fase metálica pode parecer que teria inúmeras aplicações práticas, mas Wu alertou que esta é uma pesquisa preliminar. Antes que tais aplicações possam ser realizadas, disse ele, trabalho adicional precisa ser realizado.

No entanto, Wu está otimista em relação ao futuro. “Isso pode ajudar a abrir uma nova janela para observar novas fases quânticas da matéria”, disse ele. “Nos próximos anos, veremos muitas novas descobertas saindo dessa pesquisa”. + Explorar mais

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