Descobrindo Estados de Vizinhança Ocultos num Material Quântico

Os materiais quânticos apresentam ações únicas resultantes da mecânica quântica automática, ou como o problema atua na escala minúscula dos átomos e partículas subatómicas. As propriedades tecnologicamente relevantes dos materiais quânticos resultam de complicadas interações de carga, orbital e rotação do eletrão, combinadas à estrutura cristalina do material. Por exemplo, em alguns produtos, os eletrões podem se mover abertamente sem resistência; essa sensação, chamada supercondutividade, poderia ser aproveitada para transmitir energia com mais eficiência. Normalmente, essas propriedades residenciais ou comerciais surgem em níveis de temperatura reduzidos, onde os cristais apresentam proporção arquitetónica reduzida (quebrada).

“Não surpreendentemente, este regime de baixa temperatura é bem pesquisado”, afirmou Emil Bozin, um físico da Equipe de Espalhamento de Raios-X do Departamento de Física da Matéria Condensada e também Ciência de Materiais (CMPMS) no Departamento de Energia dos EUA (DOE) Brookhaven Laboratório Nacional. “Enquanto isso, a rotina de alta temperatura permanece principalmente desconhecida porque está conectada a um equilíbrio razoavelmente alto, considerado monótono.”

No entanto, Bozin e também colegas de trabalho descobriram recentemente que os estados de equilíbrio regional são prejudiciais ao calor. Esses estados regionais estão associados a orbitais digitais (áreas dentro de um átomo onde provavelmente os eletrões podem ser encontrados) que agem como “precursores” de levantamento de depravação orbital (ODL) para o que ocorre no nível de baixa temperatura. A degenerescência orbital se refere aquando os orbitais têm a mesma energia. Aumentar essa depravação sugere que alguns orbitais certamente terão um poder relativamente maior e outros, menos energia.

“Acreditamos que tais estados de vizinhança permanecem em alguns habilitadores de método das propriedades materiais da paixão que emergem em níveis de temperatura muito mais baixos”, descreveu Bozin.

Os pesquisadores observaram esses estados locais pela primeira vez em 2019 num material (sulfeto de cobre e irídio) com uma transição metal-isolante, bem como num supercondutor à base de ferro. O grupo que representa o Brookhaven Lab; Oak Ridge National Lab do DOE; Universidade do Tennessee, Knoxville; e o Columbia College os descobriu num isolante que inclui sal, titânio, silício e oxigénio. este material isolante é um dos minerais que formam o manto superior da Terra. Além da paixão geológica, é um candidato a fluidos de ‘spin’ quântico (QSLs), um estado exótico de problema em que os spins de eletrões permanecem como fluidos até os níveis de temperatura mais razoáveis, mudando constantemente. Os QSLs podem fornecer uma plataforma material para um computador quântico, spintrônica (eletrónica baseada no spin do eletrão em vez de taxa), supercondutividade e outras inovações.

“ As nossas pesquisas para recomendar que os hábitos deste precursor do EAD em alta temperatura podem ser bastante comuns e também precisam ser pensados ​​em pesquisas académicas para compreender as residências práticas dos materiais quânticos”, afirmou o físico Weiguo Yin, do Grupo de Teoria de Matéria Condensada do Departamento CMPMS.

Para sondar a estrutura atómica do material, o grupo avaliou como o material espalhou neutrões e também raios-X. Ambas as sondas são necessárias devido aos seus diferentes níveis de sensibilidade a componentes específicos com base no peso atómico. Ao contrário dos raios-X, os neutrões podem identificar elementos leves, como o oxigénio. Com os padrões de espalhamento de neutrões e raios-X, o arranjo de vizinhança dos átomos pode ser raciocinado por meio da função de circulação do conjunto atómico (PDF), que descreve os intervalos entre vários átomos num exemplo. Utilizando software, os pesquisadores podem descobrir o modelo arquitetónico que melhor se adapta à função PDF atómica experimental.

A sua análise revelou marcas registradas de equilíbrio regional, prejudicando muito a temperatura na qual o material passa por uma transição estrutural para criar dímeros de titânio (duas moléculas ligadas entre si). Quando o material é aquecido, esses dímeros parecem desaparecer, mas, na verdade, eles permanecem, evoluindo para um estado de ODL gémeo.

“O estado de alta temperatura e alta simetria cristalográfica assume a presença de degenerescência orbital, mas a depravação orbital pode não ser vigorosamente benéfica”, afirmou Bozin. “Como podemos ver aqui, os dímeros são substituídos, assim como o que resta é uma estrutura de cristal deformada na sua área. Essa distorção levanta a depravação de 2 orbitais e permite que o sistema entre num estado de energia mais baixa. ”

Em seguida, o grupo planeja adaptar propriedades residenciais orbitais neste material, por exemplo, trocando titânio por ruténio, o que transformará sem dúvida a matéria eletrónica e deve fornecer um QSL muito melhor. Certamente também verão se os precursores do EAD existem em outros produtos e como se relacionam com as sensações da taxa de juros, como a supercondutividade. Particularmente, eles gostariam de descobrir sistemas com vários níveis de acoplamento spin-órbita, sendo um sistema diferente para EAD.

“A exploração desses precursores orbitais nos ajuda a compreender melhor os concorrentes entre vários estados quânticos de baixa temperatura, um entendimento que nos permitirá transformar o campo de jogo para obter produtos com os edifícios de baixa temperatura desejados”, afirmou Simon Billinge, um físico no CMPMS Department Scattering Team, bem como professor de pesquisa científica de materiais e engenharia, bem como de física e matemática na Universidade de Columbia.

Referência:  RJ Koch et al, Dual Orbital Degeneracy Lifting in a Strongly Correlated Electron System,  Physical Review Letters  (2021). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.186402

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