Cientistas da Rice University descobriram um material inédito, um metal cristalino 3D no qual as correlações quânticas e a geometria da estrutura cristalina se combinam para frustrar o movimento dos elétrons e prendê-los no lugar.

A descoberta é detalhada em um estudo publicado na Nature Physics . O artigo também descreve o princípio do projeto teórico e a metodologia experimental que orientou a equipe de pesquisa até o material. Uma parte de cobre, duas partes de vanádio e quatro partes de enxofre, a liga apresenta uma rede de pirocloro 3D que consiste em tetraedros que compartilham os cantos.

“Procuramos materiais onde existam potencialmente novos estados da matéria ou novas características exóticas que não foram descobertas”, disse o coautor do estudo, Ming Yi, físico experimental de Rice.

Os materiais quânticos são um lugar provável para procurar, especialmente se hospedarem fortes interações de elétrons que dão origem ao emaranhamento quântico . O emaranhamento leva a comportamentos eletrônicos estranhos, incluindo a frustração do movimento dos elétrons até o ponto em que eles ficam presos no lugar.

“Este efeito de interferência quântica é análogo às ondas que ondulam na superfície de um lago e se encontram de frente”, disse Yi. "A colisão cria uma onda estacionária que não se move. No caso de materiais reticulados geometricamente frustrados, são as funções das ondas eletrônicas que interferem destrutivamente."

A localização de elétrons em metais e semimetais produz bandas eletrônicas planas, ou bandas planas. Nos últimos anos, os físicos descobriram que o arranjo geométrico dos átomos em alguns cristais 2D, como as redes de Kagome, também pode produzir bandas planas. O novo estudo fornece evidências empíricas do efeito em um material 3D.

Usando uma técnica experimental chamada espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo , ou ARPES, Yi e o principal autor do estudo, Jianwei Huang, pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório, detalharam a estrutura da banda do material cobre-vanádio-enxofre e descobriram que ele hospedava uma banda plana que é único em vários aspectos.

“Acontece que ambos os tipos de física são importantes neste material”, disse Yi. "O aspecto da frustração geométrica estava presente, como a teoria havia previsto. A agradável surpresa foi que também houve efeitos de correlação que produziram a banda plana no nível de Fermi, onde pode participar ativamente na determinação das propriedades físicas."

Na matéria do estado sólido, os elétrons ocupam estados quânticos divididos em bandas. Essas bandas eletrônicas podem ser imaginadas como degraus de uma escada, e a repulsão eletrostática limita o número de elétrons que podem ocupar cada degrau. O nível de Fermi, uma propriedade inerente aos materiais e crucial para determinar sua estrutura de bandas, refere-se ao nível de energia da posição ocupada mais alta na escada.

O físico teórico de Rice e coautor correspondente do estudo, Qimiao Si, cujo grupo de pesquisa identificou a liga de cobre-vanádio e sua estrutura cristalina de pirocloro como sendo um possível hospedeiro para efeitos combinados de frustração da geometria e fortes interações de elétrons, comparou a descoberta à descoberta de um novo continente.

"É o primeiro trabalho a realmente mostrar não apenas esta cooperação entre a frustração impulsionada pela geometria e pela interação, mas também o próximo estágio, que é colocar os elétrons no mesmo espaço no topo da escada (energética), onde há uma chance máxima de sua reorganização em novas fases interessantes e potencialmente funcionais", disse Si.

Ele disse que a metodologia preditiva ou princípio de design que seu grupo de pesquisa usou no estudo também pode ser útil para teóricos que estudam materiais quânticos com outras estruturas de rede cristalina.

“O pirocloro não é o único jogo da cidade”, disse Si. "Este é um novo princípio de design que permite aos teóricos identificar de forma preditiva materiais nos quais surgem bandas planas devido a fortes correlações eletrônicas."

Yi explicou que também há muito espaço para futuras explorações experimentais de cristais de pirocloro.

“Esta é apenas a ponta do iceberg”, disse ela. "Isso é 3D, o que é novo, e considerando quantas descobertas surpreendentes houve nas redes Kagome, estou prevendo que poderia haver descobertas igualmente ou talvez até mais emocionantes a serem feitas nos materiais piroclorosos."

A equipe de pesquisa incluiu 10 pesquisadores do Rice de quatro laboratórios. O grupo de pesquisa do físico Pengcheng Dai produziu as muitas amostras necessárias para verificação experimental, e o grupo de pesquisa de Boris Yakobson no Departamento de Ciência de Materiais e NanoEngenharia realizou cálculos de primeiros princípios que quantificaram os efeitos de banda plana produzidos pela frustração geométrica.

Os experimentos ARPES foram conduzidos em Rice e na Stanford Synchrotron Radiation Lightsource do SLAC National Accelerator Laboratory, na Califórnia, e na National Synchrotron Light Source II do Brookhaven National Laboratory, em Nova York, e a equipe incluiu colaboradores do SLAC, Brookhaven e da Universidade de Washington.