Energia

Elétrons super pesados revelam ordem escondida em cristal

Elétrons super pesados revelam ordem escondida em cristal
As primeiras imagens de elétrons pesados em ação revelam as características deuma ordem escondida, que são importantes em estudos sobre a supercondutividade e o magnetismo.[Imagem: Davis/Brookhaven]

Cientistas capturaram imagens inéditas de elétrons que parecem ter uma massa extraordinariamente elevada sob certas condições extremas no interior de um cristal.

Empregando um microscópio projetado para fotografar a organização e as interações de elétrons no interior de cristais, a técnica revela a origem de uma transição de fase eletrônica absolutamente incomum.

O estudo abre as portas para pesquisas das propriedades e funções dos chamados férmions pesados, com implicações diretas tanto sobre o fenômeno da supercondutividade quanto sobre o magnetismo.

Férmions pesados

"Os físicos têm-se interessado pelo 'problema' dos férmions pesados - por que esses elétrons agem como se fossem centenas ou milhares de vezes mais maciços sob certas condições - por trinta ou quarenta anos," disse o coordenador do estudo, Séamus Davis, da Universidade de Cornell, nos Estados Unidos.

O entendimento do comportamento dos férmions pesados pode levar à concepção de novos materiais para os supercondutores de alta temperatura, materiais que conduzem eletricidade sem perda de energia. Os supercondutores atualmente conhecidos somente funcionam em temperaturas criogênicas.

O estudo foi feito com um material composto de urânio, rutênio e silício (URu2Si2).

Este material tem sido objeto de um mistério científico desde que ele foi sintetizado por Graeme Lucas, há 25 anos. Os efeitos dos férmions pesados começam a aparecer no material quando ele é resfriado abaixo de 55 Kelvin (-218 ° C). E uma transição de fase eletrônica ainda mais rara ocorre abaixo dos 17,5 K.

Ordem escondida

Os cientistas atribuíam essa transição de fase de baixa temperatura a alguma forma de "ordem escondida." Eles não conseguiam distinguir se ela estava relacionada com o comportamento coletivo dos elétrons atuando como uma onda, ou com interações dos elétrons individuais com os átomos de urânio.

Agora, os pesquisadores usaram uma técnica concebida para visualizar o comportamento dos elétrons conforme eles passam pela misteriosa transição de fase.

A técnica, chamada imageamento espectroscópico por microscopia de tunelamento, mede o comprimento de onda dos elétrons na superfície do material em relação à sua energia.

"Imagine-se voando sobre um mar onde ondas estacionárias estão se movendo para cima e para baixo, mas não se propagam em direção à praia," diz Davis. "Quando você passar pelos pontos altos, você pode tocar a água; sobre os pontos baixos, você não pode. Isso é semelhante ao que o nosso microscópio faz. Ele 'vê' quantos elétrons podem saltar para a ponta da nossa sonda em cada ponto da superfície."

Partindo do comprimento de onda e das medições de energia, os cientistas podem calcular a massa efetiva do elétron.

Átomos de urânio

"Esta técnica revela que estamos lidando com elétrons muito pesados - ou elétrons que agem como se fossem extremamente pesados, porque eles são de algum modo retardados," explica Davis.

A detecção das características dos elétrons pesados abaixo da segunda temperatura de transição fornece uma prova experimental direta de que os elétrons estão interagindo com os átomos de urânio, e não agindo como uma onda. É essa interação que retarda os elétrons.

No caso do material à base de urânio, a desaceleração dos elétrons dura apenas uma pequena fração de segundo em cada átomo de urânio. Mas como a energia cinética e a massa são matematicamente relacionadas, a desaceleração faz parecer que os elétrons são mais maciços do que um elétron livre.

"Os férmions pesados continuam sendo misteriosos em vários aspectos, e é nosso trabalho como cientistas tentar resolver o problema", disse Davis.

Bibliografia:

Imaging the Fano lattice to ‘hidden order’ transition in URu2Si2
A. R. Schmidt, M. H. Hamidian, P. Wahl, F. Meier, A. V. Balatsky, J. D. Garrett, T. J. Williams, G. M. Luke, J. C. Davis
Nature
June 3, 2010
Vol.: 465, 570-576
DOI: 10.1038/nature09073




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