Além do equilíbrio:Cientistas investigam líquidos Floquet Fermi
A distribuição Fermi-Dirac em três temperaturas diferentes incluindo zero absoluto (linha azul). Crédito:Lauro B. Braz/Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:FermiDist.png Pesquisadores da Alemanha e de Cingapura estudaram um estado de desequilíbrio dos líquidos Fermi chamado líquido Floquet Fermi (FFL), que é formado quando os líquidos Fermi são submetidos a uma força motriz periódica e mantidos em contato com um banho fermiônico.
Os líquidos de Fermi são sistemas de mecânica quântica onde os férmions (como os elétrons em um metal) se comportam coletivamente de maneira previsível à temperatura zero absoluta, equivalente a 0 Kelvin ou -273,15°C.
Os férmions são uma das duas classes fundamentais de partículas no universo e obedecem às estatísticas de Fermi-Dirac (FD). Isto descreve sua distribuição quando o sistema está em equilíbrio térmico.
É aqui que encontramos um sistema quântico interessante chamado líquido de Fermi. O termo "líquido de Fermi" vem da ideia de que, semelhante à forma como um líquido flui livremente e pode mudar de forma, os férmions em um líquido de Fermi se movem de forma relativamente livre dentro do material devido ao seu comportamento coletivo.
Para líquidos de Fermi, o comportamento dos férmions é caracterizado por uma superfície de Fermi. A superfície de Fermi marca uma separação nos estados de energia do líquido de Fermi, indicando estados de energia preenchidos e vazios ocupados pelos férmions.
Os pesquisadores foram motivados a entender o que acontece aos elétrons quando uma força motriz periódica é aplicada a eles enquanto estão acoplados a um banho de calor fermiônico.
O estudo, publicado em Physical Review Letters , foi conduzido pelo Dr. Inti Sodemann Villadiego da Universität Leipzig na Alemanha e pelo Dr.
Phys.org conversou com os pesquisadores, que citaram uma questão maior que esperavam responder:As fotocorrentes (correntes resultantes da iluminação de um material) existem em cristais puros (como metais e semicondutores), mesmo quando o material não absorve luz?
Esta questão os levou ao líquido Floquet Fermi. O líquido Floquet Fermi
Num líquido de Fermi, os estados de energia são contínuos, com estados de energia preenchidos abaixo da energia de Fermi e estados vazios acima dela. O nível de energia de Fermi marca o nível de energia no qual a probabilidade de encontrar um estado de férmion transita de quase 100% ocupado para quase 0% ocupado.
No zero absoluto, todos os estados até a energia de Fermi estão preenchidos e todos os estados acima dela estão vazios. Este nível de energia define efetivamente a superfície de Fermi no espaço de momentos:um conceito teórico que ajuda a visualizar o que está acontecendo dentro da matéria.
Quando aplicamos uma força periódica em um líquido de Fermi, seus níveis normais de energia são modificados para bandas Floquet, que são os níveis de energia modificados do líquido de Fermi devido à força motriz. Pense nisso como ondulações se formando na superfície da água.
Os pesquisadores agora queriam entender o que acontece se esse sistema for afastado do equilíbrio. Para isso, os pesquisadores introduziram um banho fermiônico, que é um reservatório ou ambiente composto por férmions.
Os pesquisadores descobriram que o líquido de Fermi resultante está em um estado trivial instável, denominado líquido Floquet Fermi. Eles descobriram que o líquido resultante não seguia as estatísticas típicas do FD.
Escadaria FD e superfícies aninhadas
Neste caso, o estado FFL é considerado não trivial porque surge como resultado da interação entre forças motrizes periódicas, interações fermiônicas e o ambiente circundante.
Em vez de uma transição suave nos estados de energia, semelhante a um único salto tipicamente observado nas distribuições FD de equilíbrio, a ocupação dos estados de energia mostrou um padrão semelhante a uma escada com múltiplos saltos.
"Cada um desses saltos leva ao aparecimento de uma nova superfície de Fermi (a superfície Floquet Fermi)", explicou o Dr.
“As superfícies Floquet Fermi que aparecem no estado FFL estão fechadas umas dentro das outras”, acrescentou o Dr.
Pense nisso como superfícies de Fermi em camadas, semelhantes a uma situação de boneca russa. Estas superfícies Floquent Fermi afetam o comportamento geral do sistema, dando origem a fenômenos específicos.
Padrões de superação em oscilações quânticas e controle do comportamento eletrônico
Oscilações quânticas são mudanças periódicas nas propriedades de um material, como resistência, em função de parâmetros externos como campo magnético ou pressão.
Os pesquisadores observaram padrões de batimento nas oscilações quânticas sob a influência de um campo magnético externo no caso dos FFLs.
Esses padrões surgem devido à interferência entre superfícies Floquet Fermi de tamanhos diferentes, que estão aninhadas umas nas outras. A presença de múltiplas superfícies Floquet Fermi leva a efeitos de interferência construtivos e destrutivos, resultando em oscilações na resistência.
"Os padrões de batimento nas oscilações quânticas são consistentes com experimentos observados de oscilações de resistência induzidas por micro-ondas (MIRO) em sistemas eletrônicos bidimensionais", explicou o Dr.
Eles também fornecem um meio de projetar e adaptar o comportamento eletrônico do sistema.
Villadiego disse:"A presença de múltiplas superfícies de Fermi permite maior controle sobre as propriedades eletrônicas do sistema. Ao ajustar a frequência ou intensidade da luz, podemos manipular a forma e a separação das superfícies Floquet Fermi."
Isto oferece novas possibilidades para controlar o comportamento eletrônico.
Aplicações e insights potenciais
Uma das lições mais interessantes apontadas pelos pesquisadores é que o estado estacionário não deve ser visto, como disse o Dr. Shi, como “uma espécie de versão enfadonha e ligeiramente mais quente da distribuição FD de equilíbrio”.
"Em vez disso, o sistema aproxima-se de um estado estacionário, que tem uma densidade de energia mais elevada do que o estado de equilíbrio, mas este excesso de energia não é armazenado como algum tipo de calor incaracterístico, mas em vez disso leva a um rearranjo muito preciso da ocupação dos estados que retém uma natureza quântica precisa", disse o Dr. Matsyshyn.
Os pesquisadores também forneceram condições ou critérios a serem atendidos para a realização experimental do FFL. Eles também listaram vários caminhos potenciais para trabalhos futuros, um dos quais é a questão original da fotocorrente em materiais a granel.
"Usando nosso estado líquido Floquet Fermi, pode-se demonstrar rigorosamente que é realmente possível que mesmo a luz puramente monocromática conduza uma corrente retificada líquida, mesmo quando sua frequência está dentro da lacuna", disse o Dr.
“Essas ideias podem ser relevantes para o desenvolvimento de novas tecnologias optoeletrônicas, como amplificadores de luz, sensores, células solares e dispositivos de coleta de energia”, concluiu o Dr. Song.
