FÍSICOS PRENDEM ELÉTRONS EM UM CRISTAL 3D PELA PRIMEIRA VEZ

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Physicists trap electrons in a 3D crystal for the first time

Os elétrons se movem caoticamente em nuvens ao redor do núcleo atômico ou através de um material condutor.

Mas quando os elétrons de um material ficam presos juntos, eles podem se estabelecer no mesmo estado de energia e se comportar como um só.

Na física, esse estado coletivo é conhecido como "banda plana" eletrônica.

Os cientistas prevêem que quando os elétrons estão neste estado, eles podem começar a sentir os efeitos quânticos de outros elétrons e agir de maneira quântica coordenada.


Então, poderão surgir comportamentos exóticos, como a supercondutividade e formas únicas de magnetismo.

Agora, os físicos do MIT conseguiram prender elétrons em um cristal puro.


É a primeira vez que os cientistas conseguem uma banda plana electrónica num material tridimensional.

Com alguma manipulação química, os pesquisadores também mostraram que poderiam transformar o cristal em um supercondutor – um material que conduz eletricidade com resistência zero.


A geometria atômica do cristal torna possível o estado aprisionado dos elétrons.

O cristal, que os físicos sintetizaram, tem um arranjo de átomos que lembra os padrões tecidos em uma cesta tradicional japonesa chamada "kagome".


Nesta geometria específica, os cientistas descobriram que os electrons estavam “enjaulados”, em vez de saltarem entre átomos e assentarem na mesma banda de energia.

Os investigadores dizem que este estado de banda plana pode ser realizado com praticamente qualquer combinação de átomos – desde que estejam dispostos nesta geometria 3D inspirada em Kagome.

Agora que sabemos que podemos fazer uma banda plana a partir desta geometria, temos uma grande motivação para estudar outras estruturas que possam ter outra nova física que possa ser uma plataforma para novas tecnologias”, diz o autor do estudo Joseph Checkelsky, professor associado de física. .

No novo estudo, os cientistas procuraram criar bandas planas em materiais 3D, de modo que os elétrons ficassem presos em todas as três dimensões e quaisquer estados eletrônicos exóticos pudessem ser mantidos de forma mais estável.

Eles tinham a ideia de que os padrões Kagome poderiam desempenhar um papel importante nisso.

Em trabalhos anteriores , a equipe observou elétrons presos em uma rede bidimensional de átomos que lembrava alguns designs de Kagome.

Quando os átomos foram organizados em um padrão de triângulos interconectados e com cantos compartilhados, os elétrons ficaram confinados no espaço hexagonal entre os triângulos, em vez de saltarem pela rede.

Mas, como outros, os pesquisadores descobriram que os elétrons poderiam escapar para cima e para fora da rede, através da terceira dimensão.


Para testar essa hipótese, os pesquisadores sintetizaram um cristal de pirocloro em laboratório.

“Não é diferente de como a natureza produz cristais”, explica Checkelsky. "Colocamos certos elementos juntos - neste caso, cálcio e níquel - os derretemos em temperaturas muito altas, os resfriamos e os átomos por si próprios se organizarão nesta configuração cristalina, semelhante ao kagome."

Eles então mediram a energia de elétrons individuais no cristal para ver se eles caíam na mesma faixa plana de energia.

Para fazer isso, os pesquisadores normalmente realizam experimentos de fotoemissão, nos quais lançam um único fóton de luz sobre uma amostra, que por sua vez emite um único elétron.

Um detector pode então medir com precisão a energia daquele elétron individual.

Os cientistas usaram a fotoemissão para confirmar estados de banda plana em vários materiais 2D.

Devido à sua natureza bidimensional e fisicamente plana, esses materiais são relativamente simples de medir usando luz laser padrão. Mas para materiais 3D, a tarefa é mais desafiadora.

“Para este experimento, normalmente é necessária uma superfície muito plana”, explica Comin. "Mas se você olhar para a superfície desses materiais 3D, eles são como as Montanhas Rochosas, com uma paisagem muito ondulada.

Os experimentos com esses materiais são muito desafiadores, e isso é parte da razão pela qual ninguém demonstrou que eles hospedam elétrons presos ."

A equipe superou esse obstáculo com a espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo (ARPES), um feixe de luz ultrafocado que é capaz de atingir locais específicos em uma superfície 3D irregular e medir as energias individuais dos elétrons nesses locais.

“É como aterrar um helicóptero em plataformas muito pequenas, por toda esta paisagem rochosa”, diz Comin.

Com o ARPES, a equipe mediu as energias de milhares de elétrons em uma amostra de cristal sintetizado em cerca de meia hora.

Eles descobriram que, esmagadoramente, os elétrons do cristal exibiam a mesma energia, confirmando o estado de banda plana do material 3D.

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