Inédito cristal de cargas elétricas abre novos caminhos para tecnologias quânticas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/08/2024

Ilustração da configuração experimental, com o modelo de cristais de elétrons-lacunas (esquerda), e diagramas esquemáticos para ilustrar os padrões de elétrons e lacunas coexistentes no material usado pela equipe.
[Imagem: NUS]

Cristais de elétrons e lacunas

Quando o número de elétrons corresponde aos sítios da rede atômica de um material, interações fortes entre eles podem fazer com que os elétrons se organizem em um padrão ordenado, formando o que é conhecido como um cristal de elétrons. Esse fenômeno é fascinante porque os elétrons começam a agir coletivamente, o que pode ser útil, por exemplo, para fazer simulações quânticas de outros sistemas.

Mas há mais do que isso: Se tanto os elétrons quanto suas contrapartes positivas, chamadas lacunas, coexistirem em uma rede atômica, esse movimento coordenado das cargas elétricas pode criar estados quânticos ainda mais exóticos, com propriedades incomparáveis, como um tipo especial de superfluidez, uma condição na qual um fluido perde seu atrito interno e se torna termicamente condutor de uma forma quase ideal. Neste caso dos elétrons e lacunas correlacionados, o fenômeno chama-se superfluidez de contrafluxo, com os elétrons e lacunas fluindo em direções opostas, sem resistência e sem dissipação de energia.

Contudo, por mais interessante e útil que tudo isso possa ser, é difícil manter os cristais de elétrons e lacunas coesos, uma vez que essas cargas negativas e positivas se recombinam muito rapidamente. Para resolver isto, os cientistas geralmente "dão um jeitinho", criando um sistema muito menos ideal, separando elétrons e lacunas em diferentes camadas.

Agora, Zhizhan Qiu e colegas da Universidade Nacional de Cingapura, criaram o primeiro cristal de elétrons-lacunas em um material natural, no qual ambas as cargas compartilham a mesma camada - poderíamos dizer, um "cristal de elétron-lacuna verdadeiro".

Isto abre novas possibilidades não apenas para entender melhor a própria consistência da matéria e estudar sistemas quânticos exóticos, mas também para estudar coisas com grande interesse prático, como a superfluidez e a supercondutividade, e novas arquiteturas não convencionais de processamento de informações, como a computação na memória e a computação quântica.

Esquema do experimento (esquerda) e imagens do cristal de elétrons-lacunas visualizado pela primeira vez.
[Imagem: Zhizhan Qiu et al. - 10.1038/s41563-024-01910-3]

Isolante de Mott

A criação do cristal de elétron-lacuna foi possível graças a um material exótico, conhecido como isolante de Mott, uma classe de materiais complexos que se comportam como isolantes elétricos, mas ainda possuem dinâmica de spin, ou seja, comportam-se como materiais magnéticos. O composto usado pela equipe é o cloreto de rutênio alfa (αRuCl₃).

Para montar o cristal, a equipe usou uma técnica chamada microscopia de tunelamento por varredura (STM). A STM é uma ferramenta que usa o tunelamento quântico para criar imagens do espaço real dos átomos, mas ela só funciona com materiais eletricamente condutores, e não com isolantes.

Qiu e seus colegas superaram isso combinando seu isolante de Mott com uma folha de grafeno, que é condutor e permite que os elétrons vindos da ponta do microscópio passem livremente, revelando a estrutura eletrônica do isolador de Mott abaixo dele. Além disso, o grafeno serve como uma fonte de elétrons ajustável, permitindo a dopagem não invasiva e ajustável do αRuCl3.

O imageamento do espaço real feito pelo microscópio STM revelou então que o αRuCl3 apresenta dois padrões ordenados distintos em dois níveis de energia, chamados de banda de Hubbard inferior e banda de Hubbard superior, cada um com periodicidades e simetrias completamente diferentes.

Ao ajustar as densidades de elétrons e lacunas no sistema, os pesquisadores conseguiram visualizar diretamente a transição dessas ordenações, mostrando que elas se devem justamente aos cristais feitos de elétrons e lacunas, que se reorganizam espontaneamente quando o número de elétrons e lacunas por célula unitária é alterado.

Elétrons: Três descobertas mostram o quão pouco sabemos sobre eles.
[Imagem: UCL]

Controlar os cristais

Ver diretamente os cristais de elétron-lacuna no nível atômico revelou sua forma e sua estrutura com incrível clareza, fornecendo informações observacionais que até agora eram apenas inferidas especulativamente a partir de estudos mesoscópicos - o avanço vem poucos meses depois que outra equipe fotografou pela primeira um cristal de elétrons.

Estas observações destacam que o cristal de elétrons-lacunas pode ser distribuído de forma desigual porque há mais de um tipo de carga do que de outro.

"Pensando adiante, queremos explorar como podemos controlar esses cristais usando sinais elétricos de novas maneiras. Encontrar cristais de elétron-lacuna em isoladores de Mott dopados pode levar a novas maneiras de fazer materiais que possam alternar entre diferentes estados rapidamente, o que tem potencial para facilitar o desenvolvimento de computadores poderosos. Isto também abre a possibilidade de criar novos materiais que possam ter aplicações como simuladores de física quântica," disse o professor Lu Jiong.

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