Uma nova estrutura guiada por teoria pode ajudar cientistas a investigar as propriedades de novos semicondutores para dispositivos microeletrônicos de próxima geração ou descobrir materiais que aumentem o desempenho de computadores quânticos.

A pesquisa para desenvolver materiais novos ou melhores normalmente envolve a investigação de propriedades que podem ser medidas de forma confiável com os equipamentos de laboratório existentes, mas isso representa apenas uma fração das propriedades que os cientistas poderiam potencialmente investigar em princípio. Algumas propriedades permanecem efetivamente "invisíveis" porque são muito difíceis de serem capturadas diretamente com os métodos existentes.

Considere a interação elétron-fônon — essa propriedade desempenha um papel crítico nas propriedades elétricas, térmicas, ópticas e supercondutoras de um material, mas capturá-la diretamente usando técnicas existentes é notoriamente desafiador.

Agora, pesquisadores do MIT propuseram uma abordagem teoricamente justificada que pode transformar esse desafio em uma oportunidade. Seu método reinterpreta o espalhamento de nêutrons, um efeito de interferência frequentemente negligenciado, como uma potencial sondagem direta da força do acoplamento elétron-fônon.

O procedimento cria dois efeitos de interação no material. Os pesquisadores demonstram que, ao projetar deliberadamente seu experimento para aproveitar a interferência entre as duas interações, eles conseguem capturar a intensidade da interação elétron-fônon de um material.

A metodologia dos pesquisadores, baseada na teoria, pode ser usada para moldar o design de experimentos futuros, abrindo caminho para medir novas quantidades que antes estavam fora de alcance.

“Em vez de descobrir novas técnicas de espectroscopia por puro acidente, podemos usar a teoria para justificar e informar o design de nossos experimentos e nossos equipamentos físicos”, diz Mingda Li, professor de desenvolvimento de carreira da turma de 1947 e professor associado de ciência e engenharia nuclear, e autor sênior de um artigo sobre esse método experimental.

Li é acompanhado no artigo pelos coautores principais Chuliang Fu, pós-doutorando do MIT; Phum Siriviboon e Artittaya Boonkird, ambos estudantes de pós-graduação do MIT; além de outros membros do MIT, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, da Universidade da Califórnia em Riverside, da Universidade Estadual de Michigan e do Laboratório Nacional de Oak Ridge. A pesquisa foi publicada esta semana na Materials Today Physics .

O espalhamento de nêutrons é uma técnica de medição poderosa que envolve direcionar um feixe de nêutrons a um material e estudar como os nêutrons são espalhados após atingi-lo. O método é ideal para medir a estrutura atômica e as propriedades magnéticas de um material.

Quando nêutrons colidem com a amostra material, eles interagem com ela por meio de dois mecanismos diferentes, criando uma interação nuclear e uma interação magnética. Essas interações podem interferir uma na outra.

A equipe e seus colaboradores deram um “salto de fé” conceitual e decidiram explorar mais profundamente esse efeito de interferência frequentemente negligenciado.

Eles inverteram a abordagem tradicional de pesquisa de materiais ao começar com uma análise teórica multifacetada. Exploraram o que acontece dentro de um material quando a interação nuclear e a interação magnética interferem uma na outra.

A análise revelou que esse padrão de interferência é diretamente proporcional à força da interação elétron-fônon do material.

“Isso faz do efeito de interferência uma sonda que podemos usar para detectar essa interação”, explica Siriviboon.

As interações elétron-fônon desempenham um papel em uma ampla gama de propriedades dos materiais. Elas afetam a forma como o calor flui através de um material, impactam a capacidade do material de absorver e emitir luz e podem até levar à supercondutividade.

Mas a complexidade dessas interações dificulta sua medição direta com as técnicas experimentais existentes. Em vez disso, os pesquisadores frequentemente recorrem a métodos indiretos e menos precisos para capturar as interações elétron-fônon.

No entanto, aproveitar esse efeito de interferência permite a medição direta da interação elétron-fônon, uma grande vantagem sobre outras abordagens.

“Ser capaz de medir diretamente a interação elétron-fônon abre portas para muitas novas possibilidades”, diz Boonkird.

Com base em seus insights teóricos, os pesquisadores projetaram uma configuração experimental para demonstrar sua abordagem.

Como o equipamento disponível não era potente o suficiente para esse tipo de experimento de espalhamento de nêutrons, eles só conseguiram capturar um sinal fraco de interação elétron-fônon — mas os resultados foram claros o suficiente para apoiar sua teoria.

“Esses resultados justificam a necessidade de uma nova instalação onde o equipamento pode ser de 100 a 1.000 vezes mais potente, permitindo aos cientistas resolver claramente o sinal e medir a interação”, acrescenta Landry.

Com instalações aprimoradas de espalhamento de nêutrons, como aquelas propostas para a futura  Segunda Estação Alvo no Laboratório Nacional de Oak Ridge , esse método experimental pode ser uma técnica eficaz para medir muitas propriedades cruciais dos materiais.

Por exemplo, ao ajudar cientistas a identificar e aproveitar melhores semicondutores, essa abordagem poderia permitir aparelhos mais eficientes em termos de energia, dispositivos de comunicação sem fio mais rápidos e equipamentos médicos mais confiáveis, como marcapassos e aparelhos de ressonância magnética.   

Em última análise, a equipe vê esse trabalho como uma mensagem mais ampla sobre a necessidade de repensar o processo de pesquisa de materiais.

“Usar insights teóricos para projetar configurações experimentais com antecedência pode nos ajudar a redefinir as propriedades que podemos medir”, diz Fu.

Para isso, a equipe e seus colaboradores estão atualmente explorando outros tipos de interações que poderiam aproveitar para investigar propriedades adicionais do material.

“Este é um artigo muito interessante”, afirma Jon Taylor, diretor da divisão de espalhamento de nêutrons do Laboratório Nacional de Oak Ridge, que não participou da pesquisa. “Seria interessante ter um método de espalhamento de nêutrons que fosse diretamente sensível às interações da rede de cargas ou, de forma mais geral, aos efeitos eletrônicos que não fossem apenas momentos magnéticos. Parece que tal efeito é, como esperado, bastante pequeno, então instalações como o STS poderiam realmente ajudar a desenvolver essa compreensão fundamental da interação e também a utilizar tais efeitos rotineiramente em pesquisas.”

Este trabalho é financiado, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Fundação Nacional de Ciências.