Um copo alto de água gelada não serve apenas para matar a sede; é também um exemplo cotidiano de coexistência de fases. A composição molecular da água pode existir simultaneamente nas fases líquida e sólida. E, como se vê, essa dualidade de fases pode existir em materiais quânticos mais exóticos e de maneiras muito mais complexas de desvendar. 

Um novo estudo realizado por físicos do MIT esclarece como duas fases diferentes do comportamento dos elétrons podem surgir e coexistir no mesmo material quântico. 

Os resultados, publicados hoje na revista Nature Physics , podem ajudar a explicar como alguns materiais apresentam supercondutividade, magnetismo e outras fases eletrônicas. Desvendar essas fases e entender como elas surgem ajudará os engenheiros a controlar o comportamento eletrônico e a projetar dispositivos quânticos de alto desempenho. 

“Acredita-se que a chave para substituir o silício esteja em materiais quânticos que possuem múltiplas fases coexistentes”, afirma o coautor Alfred Zong PhD '20, que coliderou o estudo enquanto era aluno de pós-graduação no MIT e agora é professor assistente na Universidade Stanford. “Nosso experimento oferece uma maneira muito interessante de estudar essas múltiplas fases.”

A equipe, liderada por Nuh Gedik, professor de física da Cátedra Donner no MIT, estudou o tritelureto de érbio, um material de terras raras. Como na maioria dos materiais, os elétrons do tritelureto de érbio normalmente estão dispersos uniformemente por todo o material. Mas, quando resfriados a certas temperaturas, os elétrons se organizam repentinamente em um padrão ondulatório, que os físicos chamam de fase de "onda de densidade de carga" (ODC). Quando resfriados ainda mais, os elétrons se coordenam novamente em uma segunda fase ondulatória que se cruza com a primeira. O efeito é o de um tabuleiro de xadrez atômico de fases eletrônicas coexistentes. 

Agora, Gedik e seus colegas desvendaram as fases do tritelureto de érbio e observaram como cada fase emerge. Eles descobriram que uma fase se forma gradualmente, de maneira semelhante à transição uniforme da água líquida para o estado gasoso. Essa é a forma clássica, descrita nos livros didáticos, pela qual se acredita que ocorram as transições de fase eletrônicas.

Mas a segunda fase surgiu de uma forma totalmente nova e inesperada: em vez de emergir gradualmente, os elétrons se organizaram primeiro em bolsões que eventualmente se expandiram, de forma semelhante à cristalização da água líquida em gelo. 

Os demais coautores do estudo, do MIT, são os primeiros autores Yifan Su, PhD '24, e Bai-Qing Lv, ex-pós-doutorando; Dongsung Choi, SM '17, PhD '24; e os ex-pós-doutorandos Doron Azoury e Masataka Mogi; juntamente com colaboradores de diversas outras instituições.

Uma onda de densidade de carga é composta por cargas, como elétrons, que se organizam espontaneamente em forma de onda. As cristas da onda apresentam a maior densidade de elétrons, enquanto as menores densidades são encontradas nos vales. Em alguns materiais, os elétrons transitam para essa estranha fase de coordenação em temperaturas extremamente baixas. 

Os cientistas observam ondas de densidade de carga há décadas e, mais recentemente, em materiais que também apresentam outras formas mais complexas de coordenação eletrônica, como várias formas de magnetismo e supercondutividade, em que os elétrons se emparelham e fluem através de um material sem atrito. 

“Assim como a supercondutividade, as ondas de densidade de carga são fenômenos coletivos onde os elétrons se movem juntos de certas maneiras”, explica o autor principal, Yifan Su. “O poder das ondas de densidade de carga reside no fato de serem uma forma de matéria muito mais simples em comparação com a supercondutividade. Elas oferecem um campo fértil para a compreensão fundamental.”

Su e sua equipe buscaram obter uma visão clara das ondas de densidade de carga em um material que hospeda duas fases de ODC simultaneamente. A forma como essas ondas emergem e coexistem em um único material pode esclarecer como a supercondutividade e outras transições de fase mais complexas ocorrem. 

“Uma das maiores questões da física é por que alguns materiais apresentam múltiplas fases enquanto outros não. E quando múltiplas fases existem, como elas interagem? Elas se reforçam mutuamente, competem entre si ou coexistem independentemente?”, diz Gedik. “Isso é como um estudo de caso para entendermos materiais muito mais complexos.”

Cientistas observaram duas ondas de densidade de carga diferentes no tritelureto de érbio — um material de terras raras que pode ser sintetizado em laboratório, em folhas atomicamente finas que podem então ser analisadas em busca de propriedades únicas em escala quântica. 

Em experimentos anteriores, físicos descobriram que, quando o tritelureto de érbio é resfriado a -8 graus Celsius, a primeira de duas ondas de densidade de carga se forma entre os elétrons do material. Essa onda “dominante” se estende pelo material em uma direção. Quando o material é resfriado ainda mais, a -113 graus Celsius, uma segunda onda de densidade de carga, “subdominante”, emerge, perpendicular à primeira, criando um padrão quadriculado de fases eletrônicas coexistentes. 

Em seu novo estudo, Gedik e seus colegas buscaram desvendar como cada fase emerge no tritelureto de érbio. A equipe obteve pequenas amostras ultrafinas do material, sintetizadas por colaboradores em Stanford. No laboratório de Gedik, os pesquisadores resfriaram as amostras a cerca de -230 graus Celsius — temperaturas nas quais o material deveria apresentar ambas as ondas de densidade de carga, em um padrão quadriculado simultâneo. Em seguida, destruíram ou enfraqueceram esse padrão quadriculado e observaram como ambos os tipos de ondas ressurgiram. 

Para isso, eles expuseram cada amostra resfriada a uma sequência de dois pulsos de laser. 

“É assim que ‘sacudimos’ e depois ‘escutamos’ o sistema”, diz Gedik.

O primeiro pulso foi o "agitador" que dissolveu o padrão quadriculado. Os pesquisadores podiam controlar a intensidade desse impacto para variar o grau de perturbação das ondas. Em seguida, emitiram um segundo pulso de laser, composto por fótons de alta energia, para ejetar elétrons do material. Esse segundo pulso foi emitido em diferentes momentos após o primeiro. Os pesquisadores então mediram a energia e o momento dos elétrons ejetados, obtendo instantâneos de como as fases eletrônicas do material se recuperavam. 

“Observamos a destruição dessas fases e, se esperarmos tempo suficiente, elas retornam”, explica Gedik. “E dependendo de como você as atinge, as duas fases respondem de maneira diferente.”

A partir de seus experimentos, a equipe descobriu que a primeira fase dominante das ondas de densidade de carga ressurge gradual e uniformemente, independentemente da intensidade com que o material foi inicialmente submetido a um impacto. Essa restauração suave é uma transição de fase de "segunda ordem" clássica, semelhante a um ímã que perde gradualmente seu magnetismo à medida que é aquecido.

O que foi ainda mais surpreendente foi como o segundo padrão de onda reapareceu. Essa fase subdominante se reformou de maneira semelhante à transformação da água em gelo. Os elétrons remontaram a onda em bolsões isolados que se espalharam, como cristais de gelo. Essa transição de "primeira ordem", mais rara, não era esperada. O estudo da equipe elucidou o mecanismo, há muito debatido, que explica o surgimento da fase subdominante da CDW. 

“Em sistemas muito mais complexos, como os supercondutores de alta temperatura, vemos que existem múltiplas fases — magnetismo, supercondutividade, ondas de densidade de carga — e todas coexistem”, diz Gedik. “Uma das teorias é que a forma como elas interagem entre si é fundamental para suas propriedades exóticas. As lições que aprendemos aqui podem ser aplicadas a materiais muito mais complexos.”