Físicos do MIT têm cutucado um material quântico com lasers, e o que descobriram é que os elétrons podem se reorganizar de duas maneiras bem diferentes - uma suave como água evaporando, a outra irregular como gelo congelando. O estudo, publicado na Nature Physics, lança luz sobre como múltiplas fases eletrônicas podem coexistir no mesmo material, o que um dia pode nos ajudar a construir melhores dispositivos quânticos e, você sabe, talvez substituir o silício.

"As pessoas acreditam que a pedra angular para substituir o silício está nos materiais quânticos que têm múltiplas fases coexistentes", diz o coautor Alfred Zong PhD '20, agora professor assistente na Universidade de Stanford. "Nosso experimento fornece uma maneira muito elegante de estudar essas múltiplas fases."

Os pesquisadores, liderados por Nuh Gedik, Professor Donner de Física no MIT, investigaram o telureto de érbio, um material de terras raras com uma atitude eletrônica séria. Em condições normais, os elétrons estão espalhados uniformemente, mas ao esfriar, eles começam a formar um arranjo ondulado chamado onda de densidade de carga (CDW). Esfrie ainda mais, e uma segunda onda aparece perpendicular à primeira, criando um tabuleiro de xadrez em escala atômica que deixaria qualquer grande mestre do xadrez com inveja.

A equipe conseguiu separar as duas fases e observar como cada uma se forma. A primeira fase, a 'dominante', aparece gradualmente através do material, como água se transformando em vapor. A segunda fase, 'subdominante', no entanto, começa em bolsões isolados e se expande para fora, assim como cristais de gelo se formando na sua bebida. Essa diferença é chave: a primeira é uma transição de segunda ordem clássica, enquanto a segunda é uma transição de primeira ordem, e isso é uma surpresa.

"O mecanismo responsável pelo surgimento dessa segunda fase tem sido debatido há muito tempo, e nossa abordagem fornece uma nova maneira poderosa de descobrir a física oculta por trás das transições de fase em materiais quânticos", diz Gedik.

O experimento foi uma rotina clássica de 'agitar e ouvir'. A equipe resfriou amostras atomicamente finas de telureto de érbio a cerca de -230 graus Celsius, e depois as atingiu com dois pulsos de laser. O primeiro pulso 'sacudiu' o sistema, quebrando o tabuleiro eletrônico, e o segundo pulso tirou instantâneos de como os elétrons se recuperavam ao longo do tempo. A onda dominante voltou suavemente, não importa o quão forte a atingissem, mas a onda subdominante cresceu a partir de sementes dispersas, como cristais de gelo se formando em água super-resfriada.

Esse comportamento não era esperado, e finalmente identifica o mecanismo há muito debatido por trás da segunda fase de CDW. E enquanto o telureto de érbio é legal por si só, o verdadeiro prêmio é entender materiais mais complexos como supercondutores de alta temperatura, onde múltiplas fases (magnetismo, supercondutividade, CDWs) coexistem e interagem.

"Em sistemas muito mais complexos, como supercondutores de alta temperatura, você vê que há múltiplas fases - magnetismo, supercondutividade, ondas de densidade de carga - e todas existem juntas", diz Gedik. "Uma das teorias é que a maneira como elas interagem entre si é chave para suas propriedades exóticas. As lições que aprendemos aqui podem ser aplicadas a materiais muito mais complexos."

A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e pela Iniciativa EPiQS da Fundação Gordon e Betty Moore. Materiais fornecidos pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Original escrito por Jennifer Chu. Nota: O conteúdo pode ter sido editado para estilo e tamanho.