Quasipartículas resolvem o mistério do desaparecimento da condutividade
Equipa do CAU detecta pela primeira vez polarões em compostos de terras raras
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Os electrões determinam as propriedades de todos os materiais: decidem se um metal conduz eletricidade, como funciona um semicondutor ou que efeitos magnéticos ocorrem. Em alguns materiais, os electrões comportam-se de uma forma particularmente invulgar: alternam entre diferentes estados, influenciam-se fortemente uns aos outros e podem mesmo fazer com que um metal se torne subitamente um isolante - uma substância que deixa de conduzir eletricidade.
Uma equipa internacional liderada pelo Dr. Chul-Hee Min e pelo Professor Kai Rossnagel da Universidade de Kiel (CAU) decifrou agora um mecanismo crucial. Num composto de túlio, selénio e telúrio (TmSe₁₋ₓTeₓ), os investigadores investigaram um material baseado num metal de terras raras (túlio). Estes metais têm propriedades eletrónicas especiais que são utilizadas em muitas tecnologias-chave.
A equipa descobriu uma quasipartícula anteriormente desconhecida no material. Esta é criada pela interação de electrões e átomos e explica porque é que o material altera as suas propriedades eléctricas. Os investigadores publicaram os seus resultados na revista Physical Review Letters.
Quando os metais se tornam subitamente isoladores
Se a proporção de telúrio no composto TmSe₁₋ₓTeₓ aumentar para cerca de 30 por cento, o material deixa de conduzir eletricidade e se transforma de um semimetal em um isolante. Estas transições fascinam os físicos porque mostram que as propriedades de um material não podem ser explicadas apenas pela sua composição química. Os electrões influenciam-se fortemente uns aos outros, acoplam-se às vibrações da rede cristalina - a rede regular de átomos no sólido - e juntos formam estados semelhantes a partículas com novas propriedades, as chamadas quasipartículas.
Para compreender estes processos, os investigadores analisaram o material a nível atómico. Efectuaram as medições utilizando espetroscopia de fotoemissão de alta resolução em várias fontes de radiação sincrotrão em todo o mundo, incluindo o Laboratório Ruprecht Haensel, uma instalação conjunta da Universidade de Kiel e do sincrotrão eletrónico alemão DESY. Irradiaram a amostra com raios X intensos e mediram os ângulos de saída e as energias dos electrões. Os espectros mostram a intensidade com que os electrões estão ligados em determinados estados e fornecem informações sobre os processos de interação subjacentes.
Descoberta dos polarões
As medições espectroscópicas revelaram novos pormenores sobre o movimento dos electrões no material: um pequeno sinal adicional continuava a aparecer, que parecia uma pequena protuberância ao lado do sinal principal. No início, os investigadores pensaram que se tratava de uma mancha técnica, mas o sinal também apareceu em medições repetidas. Este fenómeno recorrente levou a equipa de Kiel a investigar sistematicamente a história e o comportamento do material ao longo de vários anos - uma procura de pistas que acabou por conduzir à descoberta das quasipartículas.
O primeiro autor, Dr. Chul-Hee Min, começou a pesquisar TmSe₁₋ₓTeₓ em 2015. Inicialmente, ele estava procurando estados de superfície topológica, mais tarde seu foco estava no comportamento eletrônico dentro do material. Durante muito tempo, o sinal adicional ao lado do pico principal permaneceu um mistério não resolvido.
Só após anos de análise e de estreita colaboração com teóricos internacionais é que a equipa identificou a causa: o sinal tinha origem em polarões, quasipartículas em que um eletrão está intimamente ligado às vibrações da rede cristalina. O eletrão desloca-se juntamente com a distorção dos átomos, formando assim uma nova partícula composta. Na sua investigação, os cientistas utilizaram o modelo periódico de Anderson, um modelo teórico que descreve a forma como os electrões interagem uns com os outros em tais metais. Ao alargar o modelo para incluir o acoplamento dos electrões às vibrações da rede cristalina, conseguiram explicar com precisão as medições espectroscópicas. "Foi o passo decisivo", explica Min. "Assim que incluímos esta interação nos cálculos, a simulação e as medições encaixaram perfeitamente."
Polarões - a dança dos electrões e dos átomos
Um polarão pode ser descrito como uma espécie de "dança" entre um eletrão e os átomos que o rodeiam. Nos metais comuns, os electrões fluem quase livremente. No entanto, neste material, movem-se em conjunto com camadas atómicas ligeiramente distorcidas, comparável a uma mossa que percorre a rede cristalina. Este acoplamento torna os electrões mais lentos, altera a condutividade eléctrica e explica a transição para um isolante.
"Em materiais quânticos como o TmSe₁₋ₓTeₓ, cujas propriedades exóticas derivam das propriedades mecânicas quânticas de seus elétrons, esse efeito ainda não foi demonstrado experimentalmente", diz o professor Kai Rossnagel, diretor do Instituto de Física Experimental e Aplicada (IEAP) da Universidade de Kiel e porta-voz do foco de pesquisa KiNSIS - Kiel Nano, Surface and Interface Science. "O facto de termos conseguido visualizá-lo aqui pela primeira vez mostra que novos fenómenos interessantes podem ainda ser descobertos no cosmos quântico dos materiais".
Potencial para a microeletrónica e a tecnologia quântica As descobertas têm um impacto que vai para além do material investigado. Efeitos de acoplamento semelhantes ocorrem em muitos materiais quânticos modernos - desde supercondutores de alta temperatura a materiais 2D. No futuro, os investigadores poderão utilizar os polarões de uma forma orientada para controlar as propriedades electrónicas, ópticas ou magnéticas dos materiais ou para criar estados da matéria inteiramente novos.
"Estas descobertas resultam frequentemente de uma investigação fundamental persistente", afirma Rossnagel. "Mas são precisamente elas que podem conduzir a novas tecnologias a longo prazo".
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