Pesquisadores da Alemanha e de Singapura estudaram um estado não-equilibrado de líquidos de Fermi chamado de líquido de Fermi de Floquet (FFL), que é formado quando líquidos de Fermi são submetidos a uma força de condução periódica e mantidos em contato com um banho fermiônico.
Líquidos de Fermi são sistemas quânticos onde férmions (como elétrons em um metal) se comportam coletivamente de maneira previsível a uma temperatura zero absoluta, equivalente a 0 Kelvin ou -273.15°C.
Férmions são uma das duas classes fundamentais de partículas no universo, e eles obedecem à estatística de Fermi-Dirac (FD). Isso descreve sua distribuição quando o sistema está em equilíbrio térmico.
É aqui que encontramos um interessante sistema quântico chamado de líquido de Fermi. O termo “líquido de Fermi” vem da ideia de que, similarmente a como um líquido flui livremente e pode mudar de forma, os férmions em um líquido de Fermi se movem relativamente livremente dentro do material devido ao seu comportamento coletivo.
Para líquidos de Fermi, o comportamento dos férmions é caracterizado por uma superfície de Fermi. A superfície de Fermi marca uma separação nos estados de energia do líquido de Fermi, indicando estados de energia preenchidos e vazios ocupados pelos férmions.
Os pesquisadores foram motivados a entender o que acontece com os elétrons quando uma força de condução periódica é aplicada a eles enquanto estão acoplados com um banho de calor fermiônico.
O estudo, publicado em Physical Review Letters, foi conduzido pelo Dr. Li-kun Shi e Dr. Inti Sodemann Villadiego da Universität Leipzig na Alemanha e pelo Dr. Oles Matsyshyn e Dr. Justin C. W. Song da Nanyang Technological University em Singapura.
Phys.org conversou com os pesquisadores, que citaram uma questão maior que esperavam responder: Será que correntes fotovoltaicas (correntes resultantes da iluminação de um material) existem em cristais bulk puros (como metais e semicondutores) mesmo quando o material não absorve luz?
Essa pergunta os levou ao líquido de Fermi de Floquet.
O Líquido de Fermi de Floquet
Em um líquido de Fermi, os estados de energia são contínuos, com estados de energia preenchidos abaixo da energia de Fermi e estados vazios acima dela. O nível de energia de Fermi marca o nível de energia no qual a probabilidade de encontrar um estado fermiônico transita de quase 100% ocupada para quase 0% ocupada.
A uma temperatura absoluta de zero, todos os estados até a energia de Fermi estão preenchidos e todos os estados acima dela estão vazios. Esse nível de energia define efetivamente a superfície de Fermi no espaço de momento: um conceito teórico que ajuda a visualizar o que está acontecendo dentro da matéria.
Quando aplicamos uma força periódica em um líquido de Fermi, seus níveis de energia normais são modificados para bandas de Floquet, que são os níveis de energia modificados do líquido de Fermi devido à força de condução. Pense nisso como ondulações se formando na superfície da água.
Os pesquisadores agora queriam entender o que acontece se esse sistema for levado longe do equilíbrio. Para fazer isso, os pesquisadores introduziram um banho fermiônico, que é um reservatório ou ambiente composto por férmions.
Os pesquisadores descobriram que o líquido de Fermi resultante está em um estado trivial não-estável, denominado líquido de Fermi de Floquet. Eles descobriram que o líquido resultante não seguia as estatísticas FD típicas.
Escala e superfícies aninhadas de FD
Neste caso, o estado FFL é considerado não-trivial porque emerge como resultado da interação entre forças de condução periódicas, interações fermiônicas e o ambiente circundante.
Em vez de uma transição suave nos estados de energia, assemelhando-se a um único salto geralmente observado em distribuições FD de equilíbrio, a ocupação de estados de energia mostrou um padrão em forma de escada com múltiplos saltos.
“Cada um desses saltos leva ao aparecimento de uma nova superfície de Fermi (a superfície de Fermi de Floquet)”, explicou o Dr. Shi.
“As superfícies de Fermi de Floquet que aparecem no estado FFL estão contidas uma dentro da outra”, acrescentou o Dr. Matsyshyn.
Pense nisso como superfícies de Fermi em camadas, semelhante a uma situação de bonecas russas aninhadas. Essas superfícies de Fermi de Floquet afetam o comportamento geral do sistema, dando origem a fenômenos específicos.
Padrões de batimento em oscilações quânticas e controle do comportamento eletrônico
As oscilações quânticas são mudanças periódicas nas propriedades de um material, como resistência, como função de parâmetros externos como campo magnético ou pressão.
Os pesquisadores observaram padrões de batimento nas oscilações quânticas sob a influência de um campo magnético externo no caso dos FFLs.
Esses padrões surgem devido à interferência entre superfícies de Fermi de Floquet de diferentes tamanhos, que estão aninhadas uma dentro da outra. A presença de múltiplas superfícies de Fermi de Floquet leva a efeitos de interferência construtiva e destrutiva, resultando em oscilações na resistência.
“Os padrões de batimento nas oscilações quânticas são consistentes com experimentos de oscilações de resistência induzidas por micro-ondas (MIRO) observados em sistemas de elétrons bidimensionais”, explicou o Dr. Song.
Eles também fornecem um meio para engenharia e ajuste do comportamento eletrônico do sistema.
Dr. Villadiego disse: “A presença de múltiplas superfícies de Fermi permite um maior controle sobre as propriedades eletrônicas do sistema. Ao ajustar a frequência ou intensidade da luz, podemos manipular a forma e a separação das superfícies de Fermi de Floquet.”
Isso oferece novas possibilidades para controlar o comportamento eletrônico.
Aplicações potenciais e insights do líquido de Fermi de Floquet
Uma das lições mais interessantes que os pesquisadores apontam é que o estado estacionário não deve ser visto, como Dr. Shi colocou, como “uma espécie de versão um pouco mais quente da distribuição FD de equilíbrio”.
“Em vez disso, o sistema se aproxima de um estado estacionário, que tem uma densidade de energia maior do que o estado de equilíbrio, mas esse excesso de energia não é armazenado como algum tipo de calor sem forma, mas leva a um rearranjo muito preciso da ocupação de estados que mantém uma natureza quântica precisa”, disse o Dr. Matsyshyn.
Os pesquisadores também forneceram condições ou critérios a serem atendidos para realizar o FFL experimentalmente. Eles também listaram várias possibilidades para trabalhos futuros, uma das quais é a questão original de corrente fotovoltaica em materiais bulk.
“Usando nosso estado líquido de Fermi de Floquet, podemos demonstrar rigorosamente que é de fato possível até mesmo para luz puramente monocromática gerar uma corrente retificada líquida, mesmo quando sua frequência está dentro da lacuna”, disse o Dr. Villadiego.
“Essas ideias podem ser relevantes para o desenvolvimento de novas tecnologias optoeletrônicas, como amplificadores de luz, sensores, células solares e dispositivos de captura de energia”, concluiu o Dr. Song.
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