Físicos do MIT descobriram um comportamento surpreendente em um material quântico: duas fases eletrônicas praticamente idênticas se reconstruem de maneiras fundamentalmente diferentes, mesmo envolvendo o mesmo tipo de ordem eletrônica subjacente. O estudo, publicado na Nature Physics, pode ajudar a compreender por que supercondutividade, magnetismo e outras propriedades eletrônicas frequentemente aparecem lado a lado em certos materiais.
O experimento
A equipe liderada por Nuh Gedik, professor de física no MIT, focou no tritelerbio de erbium (ErTe3), um composto de terras raras que se tornou um importante campo de testes para estudar o comportamento coletivo de elétrons. Em vez de permanecerem uniformemente distribuídos, os elétrons nesses materiais podem se organizar espontaneamente em padrões repetitivos conhecidos como ondas de densidade de carga (CDWs).
Os pesquisadores resfriaram amostras atômicas finas a aproximadamente -230°C, muito abaixo da temperatura onde ambas as CDWs estão presentes. Em seguida, usaram um pulso laser ultrarrápido para perturbar a ordem eletrônica, essencialmente “chocalhando” as duas CDWs para fora do equilíbrio.
Duas fases, dois caminhos
A CDW dominante se recuperou de maneira notavelmente ordenada. Independentemente de quão forte o pulso laser inicial tivesse perturbado a amostra, essa fase gradualmente retornou por todo o material. Seu comportamento correspondeu ao esperado de uma transição de fase “segunda ordem”, onde o grau de ordem muda continuamente.
A segunda CDW seguiu um caminho muito diferente. Em vez de reaparecer uniformemente, a fase mais fraca surgiu inicialmente em regiões isoladas. Essas bolhas então se expandiram até que o padrão eletrônico ocupasse o material novamente — um processo semelhante à cristalização e característico de uma transição “primeira ordem”.
Importância para materiais quânticos
“As pessoas acreditam que a pedra angular para substituir o silício reside em materiais quânticos que possuem múltiplas fases coexistentes”, disse Alfred Zong, coautor do estudo e agora professor assistente na Stanford. “Nosso experimento oferece uma maneira muito limpa de estudar essas múltiplas fases.”
Charge density waves são formas mais simples que a supercondutividade, mas essa simplicidade é precisamente o que as torna úteis. Supercondutores de alta temperatura e outros materiais quânticos avançados frequentemente contêm várias formas de ordem eletrônica simultaneamente. Aprender a controlar essas relações eventualmente poderia ajudar a projetar materiais cujas propriedades eletrônicas podem ser intencionalmente alternadas ou ajustadas.
O estudo foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciências e pela Iniciativa EPiQS da Fundação Gordon e Betty Moore.