Um fenômeno físico exótico conhecido como anomalia de Kohn foi encontrado pela primeira vez em um tipo inesperado de material por pesquisadores do MIT e de outros lugares. Eles dizem que a descoberta pode fornecer novas idéias sobre certos processos fundamentais que ajudam a determinar por que metais e outros materiais exibem as propriedades eletrônicas complexas subjacentes a grande parte da tecnologia atual.
A maneira como os elétrons interagem com os fônons – que são essencialmente vibrações que passam através de um material cristalino – determina os processos físicos que ocorrem dentro de muitos dispositivos eletrônicos. Essas interações afetam a maneira como os metais resistem à corrente elétrica, a temperatura na qual alguns materiais repentinamente se tornam supercondutores e os requisitos de temperatura muito baixa para computadores quânticos, entre muitos outros processos.
Mas as interações elétron-fônon têm sido difíceis de estudar em detalhes porque geralmente são muito fracas. O novo estudo encontrou um novo e mais forte tipo de interação incomum elétron-fônon: os pesquisadores induziram uma anomalia de Kohn, que antes se pensava existir apenas em metais, em um material exótico chamado semimetal topológico de Weyl. A descoberta pode ajudar a esclarecer aspectos importantes da complexa interação entre elétrons e fônons, dizem eles.
A nova descoberta, baseada em previsões teóricas e observação experimental, é descrita esta semana na revista Physical Review Letters, em um artigo de Thanh Nguyen e Nina Andrejevic, pós-doutorado do MIT, pós-doutorando Ricardo Pablo-Pedro, pesquisador Fei Han, professor Mingda Li e 14 outros no MIT e várias outras universidades e laboratórios nacionais.
As anomalias de Kohn, descobertas pela primeira vez na década de 1950 pelo físico Walter Kohn, refletem uma mudança repentina, às vezes descrita como uma espécie de torção ou distorção, no gráfico que descreve um parâmetro físico chamado função de resposta de elétrons. Essa descontinuidade em uma curva suave reflete uma mudança repentina da capacidade dos elétrons para proteger os fônons. Isso pode gerar instabilidades na propagação de elétrons através do material e pode levar a muitas novas propriedades eletrônicas.
Essas anomalias foram observadas antes em certos metais e em outros materiais altamente condutores eletricamente, como o grafeno, mas nunca haviam sido vistas ou previstas antes em um “material topológico”, cujos comportamentos elétricos são robustos contra perturbações. Nesse caso, um tipo de material topológico chamado semimetal de Weyl, especificamente fosfeto de tântalo, foi capaz de exibir essa anomalia incomum. Diferentemente dos metais convencionais, onde uma propriedade chamada superfície Fermi impulsiona a formação da anomalia de Kohn, nesse material, os pontos de Weyl servem como força motriz.
Como os acoplamentos elétron-fonon estão ocorrendo praticamente em todos os lugares o tempo todo, eles podem ser uma fonte importante de perturbação em sistemas físicos delicados, como os usados para representar dados em computadores quânticos. Medir a força dessas interações, que é essencial para saber como proteger essas tecnologias baseadas em quantum, tem sido muito difícil, mas essa nova descoberta, diz Li, fornece uma maneira de fazer essas medições. “A anomalia de Kohn pode ser usada para quantificar a força do acoplamento elétron-fônon”, diz ele.
Para medir as interações, a equipe fez uso de sondas avançadas de espalhamento de nêutrons e raios-X em três laboratórios nacionais – o Laboratório Nacional Argonne, o Laboratório Nacional Oak Ridge e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia – para pesquisar o comportamento do material de fosfeto de tântalo. “Previmos que há uma anomalia de Kohn no material apenas com base na teoria pura, usando seus cálculos, poderíamos guiar os experimentos até o ponto em que desejamos procurar o fenômeno e vemos um resultado muito bom. acordo entre teoria e experimentos”, explica Li.
Martin Greven, professor de física da Universidade de Minnesota, que não participou dessa pesquisa, diz que este trabalho “tem uma amplitude e profundidade impressionantes, abrangendo tanto a teoria sofisticada quanto os experimentos de dispersão. Ele abre novos caminhos na física da matéria condensada, na medida em que estabelece um novo tipo de anomalia de Kohn”.
Uma melhor compreensão dos acoplamentos elétron-fônon poderia ajudar a desenvolver materiais como melhores supercondutores de alta temperatura ou computadores quânticos tolerantes a falhas, dizem os pesquisadores. Essa nova ferramenta pode ser usada para sondar propriedades do material em busca daquelas que permanecem relativamente inalteradas em temperaturas mais altas.
Brent Fultz, professor de ciência dos materiais e física aplicada da Caltech, que também participou deste trabalho, acrescenta que “talvez esses efeitos ajudem o desenvolvimento de materiais com novas propriedades térmicas ou eletrônicas, mas, como são tão novas, nós precisam de tempo para pensar no que eles podem fazer”.
Nguyen, principal autor do artigo, diz que acha que este trabalho ajuda a demonstrar a importância às vezes esquecida dos fônons no comportamento de materiais topológicos. Materiais como esses, cujas propriedades elétricas da superfície são diferentes daquelas do material a granel, são uma área quente da pesquisa atual. “Acho que isso poderia nos levar a entender melhor os processos subjacentes a alguns desses materiais que prometem muitas promessas para o futuro”, diz Andrejevic, que junto com Han foi co-autor principal do artigo.
“Embora se saiba que a interação elétron-fônon existe há muito tempo, a previsão e a observação experimentais dessas interações são extremamente raras”, diz o professor de física e astronomia Pengcheng Dai da Universidade Rice. Esses resultados, ele diz, “fornecem uma excelente demonstração do poder da teoria e dos experimentos combinados como uma maneira de ampliar nossa compreensão desses materiais exóticos”.
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