No mundo das partículas, às vezes dois é melhor que um. Tomemos, por exemplo, pares de elétrons. Quando dois elétrons estão ligados, eles podem deslizar através de um material sem atrito, dando ao material propriedades supercondutoras especiais. Esses elétrons emparelhados, ou pares de Cooper, são um tipo de partícula híbrida – um composto de duas partículas que se comportam como uma só, com propriedades maiores que a soma de suas partes.
Agora, os físicos do MIT detectaram outro tipo de partícula híbrida em um material magnético bidimensional incomum. Eles determinaram que a partícula híbrida é um mashup de um elétron e um fônon (uma quase partícula que é produzida a partir de átomos vibrantes de um material). Quando mediram a força entre o elétron e o fônon, descobriram que a cola – ou ligação – era 10 vezes mais forte do que qualquer outro híbrido de elétron-fônon conhecido até hoje.
A ligação excepcional da partícula sugere que seu elétron e fônon podem ser sintonizados em conjunto; por exemplo, qualquer mudança no elétron deve afetar o fônon e vice-versa. Em princípio, uma excitação eletrônica, como voltagem ou luz, aplicada à partícula híbrida poderia estimular o elétron como faria normalmente, e também afetar o fônon, que influencia as propriedades estruturais ou magnéticas de um material. Esse controle duplo pode permitir que os cientistas apliquem tensão ou luz a um material para ajustar não apenas suas propriedades elétricas, mas também seu magnetismo.
Os resultados são especialmente relevantes, pois a equipe identificou a partícula híbrida em trissulfeto de fósforo de níquel (NiPS3), um material bidimensional que atraiu interesse recente por suas propriedades magnéticas. Se essas propriedades pudessem ser manipuladas, por exemplo, através das partículas híbridas recém-detectadas, os cientistas acreditam que o material poderia um dia ser útil como um novo tipo de semicondutor magnético, que poderia ser transformado em eletrônicos menores, mais rápidos e com maior eficiência energética.
“Imagine se pudéssemos estimular um elétron e fazer com que o magnetismo respondesse”, diz Nuh Gedik, professor de física do MIT. “Então você poderia fazer dispositivos muito diferentes de como eles funcionam hoje.”
Gedik e seus colegas publicaram seus resultados hoje na revista Nature Communications. Seus coautores incluem Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz e Senthil Todadri no MIT, juntamente com Junghyun Kim e Je-Geun Park da Universidade Nacional de Seul na Coréia.
Folhas de partículas
O campo da física da matéria condensada moderna está focado, em parte, na busca de interações na matéria em nanoescala. Tais interações, entre os átomos de um material, elétrons e outras partículas subatômicas, podem levar a resultados surpreendentes, como supercondutividade e outros fenômenos exóticos. Os físicos procuram essas interações condensando produtos químicos em superfícies para sintetizar folhas de materiais bidimensionais, que podem ser tão finas quanto uma camada atômica.
Em 2018, um grupo de pesquisa na Coréia descobriu algumas interações inesperadas em folhas sintetizadas de NiPS3, um material bidimensional que se torna um antiferromagneto a temperaturas muito baixas de cerca de 150 kelvins, ou -123 graus Celsius. A microestrutura de um antiferromagneto se assemelha a uma rede de átomos em favo de mel cujos spins são opostos aos de seu vizinho. Em contraste, um material ferromagnético é composto de átomos com spins alinhados na mesma direção.
Ao sondar o NiPS3, esse grupo descobriu que uma excitação exótica tornou-se visível quando o material é resfriado abaixo de sua transição antiferromagnética, embora a natureza exata das interações responsáveis por isso não seja clara. Outro grupo encontrou sinais de uma partícula híbrida, mas seus constituintes exatos e sua relação com essa excitação exótica também não ficaram claros.
Gedik e seus colegas se perguntaram se eles poderiam detectar a partícula híbrida e extrair as duas partículas que compõem o todo, capturando seus movimentos de assinatura com um laser super rápido.
Magneticamente visível
Normalmente, o movimento de elétrons e outras partículas subatômicas são muito rápidos para a imagem, mesmo com a câmera mais rápida do mundo. O desafio, diz Gedik, é semelhante a tirar uma foto de uma pessoa correndo. A imagem resultante é borrada porque o obturador da câmera, que permite a entrada de luz para capturar a imagem, não é rápido o suficiente, e a pessoa ainda está correndo no quadro antes que o obturador possa tirar uma foto nítida.
Para contornar esse problema, a equipe usou um laser ultrarrápido que emite pulsos de luz com duração de apenas 25 femtossegundos (um femtosegundo é 1 milionésimo de 1 bilionésimo de segundo). Eles dividiram o pulso do laser em dois pulsos separados e os direcionaram para uma amostra de NiPS3. Os dois pulsos foram ajustados com um pequeno atraso um do outro, de modo que o primeiro estimulasse, ou “chutasse” a amostra, enquanto o segundo capturava a resposta da amostra, com resolução temporal de 25 femtossegundos. Desta forma, eles foram capazes de criar “filmes” ultrarrápidos a partir dos quais as interações de diferentes partículas dentro do material poderiam ser deduzidas.
Em particular, eles mediram a quantidade precisa de luz refletida da amostra em função do tempo entre os dois pulsos. Essa reflexão deve mudar de certa forma se partículas híbridas estiverem presentes. Este acabou por ser o caso quando a amostra foi resfriada abaixo de 150 kelvins, quando o material se torna antiferromagnético.
“Descobrimos que essa partícula híbrida só era visível abaixo de uma certa temperatura, quando o magnetismo é ativado”, diz Ergeçen.
Para identificar os constituintes específicos da partícula, a equipe variou a cor, ou frequência, do primeiro laser e descobriu que a partícula híbrida era visível quando a frequência da luz refletida estava em torno de um tipo particular de transição conhecido por acontecer quando um elétron move-se entre dois orbitais d. Eles também observaram o espaçamento do padrão periódico visível dentro do espectro de luz refletido e descobriram que correspondia à energia de um tipo específico de fônon. Isso esclareceu que a partícula híbrida consiste em excitações de elétrons do orbital d e desse fônon específico.
Eles fizeram uma modelagem adicional com base em suas medições e descobriram que a força que liga o elétron ao fônon é cerca de 10 vezes mais forte do que o que foi estimado para outros híbridos de elétron-fônon conhecidos.
“Uma maneira potencial de aproveitar essa partícula híbrida é permitir que você acople um dos componentes e sintonize indiretamente o outro”, diz Ilyas. “Dessa forma, você pode alterar as propriedades de um material, como o estado magnético do sistema.”
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