Uma equipe de pesquisadores do Boston College criou um novo espécime metálico onde o movimento dos elétrons flui da mesma forma que a água flui em um tubo – mudando fundamentalmente de dinâmica semelhante a partícula para semelhante a fluido, relata a equipe na Nature Communications.
Trabalhando com colegas da Universidade do Texas em Dallas e da Florida State University, o professor de física do Boston College, Fazel Tafti, descobriu no supercondutor metálico, uma síntese de Nióbio e Germânio (NbGe2), que uma forte interação entre elétrons e fônons altera o transporte de elétrons do regime difusivo, ou semelhante a partícula, para hidrodinâmico ou semelhante a fluido.
As descobertas marcam a primeira descoberta de um líquido elétron-fônon dentro do NbGe2, disse Tafti.
“Queríamos testar uma previsão recente do ‘fluido elétron-fônon'”, disse Tafti, observando que os fônons são as vibrações de uma estrutura cristalina. “Normalmente, os elétrons são espalhados pelos fônons, o que leva ao movimento difusivo usual dos elétrons nos metais. Uma nova teoria mostra que, quando os elétrons interagem fortemente com os fônons, eles formarão um líquido elétron-fônon unido. Este novo líquido fluirá dentro do metal exatamente da mesma forma que a água flui em um cano.”
Ao confirmar as previsões dos teóricos, o físico experimental Tafti – trabalhando com seu colega de Física do Boston College, Professor de Física Kenneth Burch, Luis Balicas, da FSU, e Julia Chan, da UT-Dallas – diz que a descoberta estimulará uma maior exploração do material e seu potencial formulários.
Tafti observou que nossa vida diária depende do fluxo de água nos canos e dos elétrons nos fios. Por mais semelhantes que possam parecer, os dois fenômenos são fundamentalmente diferentes. As moléculas de água fluem como um continuum de fluido, não como moléculas individuais, obedecendo às leis da hidrodinâmica. Os elétrons, no entanto, fluem como partículas individuais e se difundem dentro dos metais à medida que são espalhados pelas vibrações da rede.
A pesquisa da equipe, com contribuições significativas do pesquisador estudante de graduação Hung-Yu Yang, que obteve seu doutorado em BC em 2021, se concentrou na condução de eletricidade no novo metal, NbGe2, disse Tafti.
Eles aplicaram três métodos experimentais: medições de resistividade elétrica mostraram uma massa maior do que o esperado para elétrons; o espalhamento Raman – descreve o fenômeno de espalhamento inelástico da luz através da matéria – mostrou uma mudança de comportamento na vibração do cristal NbGe2 devido ao fluxo especial de elétrons; e a difração de raios-X revelou a estrutura cristalina do material.
Ao usar uma técnica específica conhecida como “oscilações quânticas” para avaliar a massa dos elétrons no material, os pesquisadores descobriram que a massa dos elétrons em todas as trajetórias era três vezes maior do que o valor esperado, disse Tafti, cujo trabalho é apoiado pela a National Science Foundation.
“Isso foi realmente surpreendente porque não esperávamos tais ‘elétrons pesados’ em um metal aparentemente simples”, disse Tafti. “Eventualmente, entendemos que a forte interação elétron-fônon era responsável pelo comportamento do elétron pesado. Como os elétrons interagem com as vibrações da rede, ou fônons, fortemente, eles são ‘arrastados’ pela rede e parece que eles ganharam massa e tornar-se pesado.”
Tafti disse que o próximo passo é encontrar outros materiais neste regime hidrodinâmico, aproveitando as interações elétron-fônon. Sua equipe também se concentrará no controle do fluido hidrodinâmico de elétrons nesses materiais e na engenharia de novos dispositivos eletrônicos.
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