Esboço das interações eletrônicas dentro de um material quântico que resultam em um metal estranho. Crédito:Paulo Neves Ao mexer com um material quântico caracterizado por átomos dispostos na forma de uma estrela de xerife, físicos e colegas do MIT descobriram inesperadamente uma nova maneira de tornar um estado da matéria conhecido como metal estranho. Metais estranhos são interessantes por sua física incomum e porque foram encontrados em supercondutores de alta temperatura, essenciais para uma variedade de aplicações.
O trabalho apresenta uma forma completamente nova de criar e estudar metais estranhos, cujos elétrons se comportam de maneira diferente dos de um metal convencional como o cobre. "É uma nova abordagem potencial para projetar esses materiais incomuns", diz Joseph G. Checkelsky, investigador principal da pesquisa e professor associado de física.
Linda Ye, Ph.D. do MIT. '21, é o primeiro autor de um artigo sobre o trabalho publicado no início deste ano na Nature Physics . "Uma nova maneira de produzir metais estranhos nos ajudará a desenvolver uma teoria unificadora por trás do seu comportamento. Isso tem sido bastante desafiador até o momento e pode levar a uma melhor compreensão de outros materiais, incluindo supercondutores de alta temperatura", diz Ye, agora um professor assistente do Instituto de Tecnologia da Califórnia.
A Física da Natureza o artigo é acompanhado por um artigo do News &Views intitulado "Uma maneira estranha de obter um metal estranho".
Em 2018, Checkelsky e muitos dos mesmos colegas relataram uma classe de materiais quânticos conhecidos como metais kagome. Os membros da família dos metais kagome são compostos de camadas de átomos dispostos em uma rede de unidades repetidas semelhante a uma estrela de David ou a um distintivo de xerife. O padrão também é comum na cultura japonesa, especialmente como motivo de cestaria.
“Estávamos interessados na rede de Kagome porque a teoria mostrava que ela deveria hospedar uma variedade de características interessantes para os elétrons nela depositados”, diz Linda Ye. Na verdade, no seu artigo de 2018, Ye, Checkelsky e colegas, incluindo Riccardo Comin e Liang Fu (também da física do MIT), relataram que o seu novo metal Kagome produzia férmions de Dirac, partículas quase sem massa semelhantes aos fótons que transportam luz.
“Nesse caso, os férmions de Dirac eram mais ou menos esperados pelos cálculos”, diz Ye. Mas os estranhos metais descobertos no presente trabalho foram completamente inesperados e “isso está realmente a levar-nos a um novo regime”, diz ela.
Após a descoberta dos férmions de Dirac, os pesquisadores queriam ver se conseguiam encontrar “uma característica ainda mais interessante na rede de Kagome chamada banda plana”, diz Ye. Este é um fenômeno em que os elétrons ficam essencialmente parados, embora cada um ainda gire em torno de seu próprio eixo.
Fazer com que os elétrons fiquem parados permite que eles realmente conversem entre si. E é aí que acontecem todas as coisas realmente interessantes na física da matéria condensada.
Procurando uma banda plana
Mais especificamente, a equipa procurava uma banda plana ao nível de Fermi, que pode ser considerada a superfície do oceano. Eles o encontraram e começaram a explorar as propriedades elétricas do sistema enquanto estava sujeito a alta pressão e campo magnético.
Eles descobriram que os elétrons da banda plana interagem fortemente com outros elétrons do sistema. O resultado, diz Ye, pode novamente ser comparado ao oceano. Os elétrons não perturbados na banda plana podem ser considerados um mar calmo. Assim que eles começam a interagir com outras pessoas ao seu redor, o mar calmo se torna uma tempestade turbulenta com os elétrons agindo de duas maneiras diferentes. O resultado:um metal estranho.
“Sabíamos que a banda plana resultaria em algo interessante, mas não sabíamos exatamente o que isso nos daria. E o que encontramos foi um metal estranho”, diz Ye.
Ela observa que o trabalho mostra que a rede Kagome é um “princípio de design muito importante para novos estados eletrônicos”. Como resultado, ela agora pretende estender o trabalho a outras redes.
A descoberta é resultado de anos de pesquisa. A própria Ye começou a explorar os sistemas Kagome por volta de 2015. “Foi um projeto longo”, diz ela. “Tem sido muito gratificante construir isso passo a passo e encontrar muitas coisas interessantes ao longo do caminho.”
Os coautores de Ye e Checkelsky no MIT são Shiang Fang, associado de pós-doutorado em física do MIT; Mingu Kang, Ph.D. do MIT. '23, agora na Universidade Cornell; Yonghun Lee, um estudante visitante de graduação; Caolan John e Paul M. Neves, estudantes de pós-graduação em física do MIT; S.Y. Frank Zhao, associado de pós-doutorado em física do MIT; e Riccardo Comin, professor associado de física da turma de desenvolvimento de carreira de 1947.
Outros autores são Josef Kaufmann, da Universidade de Tecnologia de Viena e do Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais; Jonathan Denlinger, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick e Eli Rotenberg, todos do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley; Efthimios Kaxiras e David C. Bell, da Universidade de Harvard; e Oleg Janson, do Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais.
