Em trabalhos que podem ter amplas implicações para o desenvolvimento de novos materiais para a eletra´nica, os cientistas da Caltech desenvolveram pela primeira vez uma maneira de prever como os elanãtrons interagindo fortemente com os movimentos ata´micos fluira£o atravanãs de um material complexo. Para fazer isso, eles se basearam apenas nos princa­pios da meca¢nica qua¢ntica e desenvolveram um novo manãtodo computacional preciso.

Estudando um material chamado titanato de estra´ncio, o pesquisador pa³s-doutorado Jin-Jian Zhou e Marco Bernardi , professor assistente de física aplicada e ciência dos materiais, mostraram que o transporte de carga pra³ximo a  temperatura ambiente não pode ser explicado por modelos padra£o. Na verdade, viola o limite de Planckian, um limite de velocidade qua¢ntica para a velocidade com que os elanãtrons podem dissipar energia enquanto fluem atravanãs de um material a uma determinada temperatura.

Seu trabalho foi publicado na revista Physical Review Research em 2 de dezembro.

A imagem padrãodo transporte de carga ésimples: os elanãtrons que fluem atravanãs de um material sãolido não se movem desimpedidos, mas podem ser desviados pelas vibrações tanãrmicas dos a¡tomos que compõem a estrutura cristalina do material. Amedida que a temperatura de um material muda, também muda a quantidade de vibração e o efeito resultante dessa vibração no transporte de carga.

As vibrações individuais podem ser consideradas como quase-parta­culas chamadas fa´nons, que são excitações em materiais que se comportam comopartículas individuais, se movendo e saltando como um objeto. Os fa´nons se comportam como as ondas do oceano, enquanto os elanãtrons são como um barco navegando por esse oceano, empurrado pelas ondas. Em alguns materiais, a forte interação entre elanãtrons e fa´nons, por sua vez, cria uma nova quase parta­cula conhecida como polaron.

"O chamado regime polaron, no qual os elanãtrons interagem fortemente com os movimentos ata´micos, ficou fora do alcance dos ca¡lculos dos primeiros princa­pios do transporte de cargas, porque exige ir além de abordagens perturbadoras simples para tratar a forte interação elanãtron-fa´non", diz Bernardi . "Utilizando um novo manãtodo, fomos capazes de prever a formação e a dina¢mica dos polarons no titanato de estra´ncio. Esse avanço écrucial, pois muitos semicondutores e a³xidos de interesse para futuras aplicações eletra´nicas e de energia exibem efeitos de polarons".

O titanato de estra´ncio éconhecido como um material complexo porque, a temperaturas diferentes, sua estrutura atômica muda drasticamente, com a estrutura de cristal mudando de uma forma para outra, o que, por sua vez, desloca os fa´nons pelos quais os elanãtrons precisam navegar. No ano passado, Zhou e Bernardi mostrou em Physical Review Letters papel que eles podem descrever os fa´nons associados a essas transições de fase estruturais e inclua­-los em seu fluxo de trabalho computacional para prever com precisão a dependaªncia da temperatura da mobilidade de elanãtrons em titanato de estra´ncio.

Agora, eles desenvolveram um novo manãtodo que pode descrever as fortes interações entre os elanãtrons e os fa´nons no titanato de estra´ncio. Isso lhes permite explicar a formação de polarons e prever com precisão o valor absoluto e a dependaªncia da temperatura da mobilidade do elanãtron, uma propriedade essencial de transporte de carga nos materiais.

Ao fazer isso, eles descobriram uma caracterí­stica exa³tica do titanato de estra´ncio: o transporte de carga pra³ximo a  temperatura ambiente não pode ser explicado com a imagem padrãosimples de elanãtrons espalhados com vibrações atômicas no material. Em vez disso, o transporte ocorre em um regime meca¢nico qua¢ntico sutil, no qual os elanãtrons transportam eletricidade coletivamente, e não individualmente, permitindo que violem o limite tea³rico do transporte de cargas.

"No titanato de estra´ncio, o mecanismo usual de transporte de cargas devido a  dispersão de elanãtrons com fa´nons foi amplamente aceito no último meio século. No entanto, a imagem que emerge de nosso estudo émuito mais complicada", diz Zhou. "Atemperatura ambiente, écomo se aproximadamente a metade de cada elanãtron contribua para carregar o transporte atravanãs do mecanismo usual de dispersão de fa´nons, enquanto a outra metade do elanãtron contribui para uma forma coletiva de transporte que ainda não estãototalmente esclarecida".

Além de representar um avanço fundamental no entendimento do transporte de carga, o novo manãtodo de Zhou e Bernardi pode ser aplicado a muitos semicondutores, bem como a materiais como a³xidos e perovskitas e a novos materiais qua¢nticos que exibem efeitos de polaron. Além do transporte de cargas, Zhou e Bernardi planejam investigar materiais com termoeletricidade não convencional (geração de eletricidade a partir do calor) e supercondutividade (corrente elanãtrica sem resistência). Nesses materiais, os ca¡lculos existentes ainda não foram capazes de levar em consideração os efeitos do polaron.

O artigo éintitulado " Prevendo o transporte de carga na presença de polarons: o regime além das quase-parta­culas no SrTiO3 ". O financiamento para apoiar esta pesquisa veio do Joint Center for Artificial Photosynthesis, um centro de pesquisa do Departamento de Energia dos EUA; a National Science Foundation; e o Escrita³rio de Pesquisa Cienta­fica da Fora§a Aanãrea.