Uma espécie de “cordão umbilical” entre diferentes estados quânticos pode ser encontrada em alguns materiais. Pesquisadores da TU Wien demonstraram agora que este “cordão umbilical” é genérico para muitos materiais.
É um princípio básico da teoria quântica: por vezes, certas quantidades físicas só podem assumir valores muito específicos; todos os valores intermediários simplesmente não são permitidos pela física. Este facto desempenha um papel decisivo no comportamento dos materiais. Certas faixas de energia são possíveis para os elétrons do material, enquanto outras não. Entre outras coisas, isto explica a diferença entre metais eletricamente condutores e isolantes não condutores.
Às vezes, porém, podem surgir conexões surpreendentes entre faixas permitidas, através das quais os elétrons podem mudar de uma faixa para outra. Uma região de transição incomum foi descoberta em 2007 em certos materiais contendo cobre, conhecidos como cupratos. Cientistas da TU Wien (Viena) conseguiram agora demonstrar: Estes não são casos especiais exóticos; na verdade, esse efeito ocorrerá se a interação entre os elétrons for grande o suficiente. Isso significa que existe um estado adicional entre o metal e o isolante.
Saltos quânticos entre energias permitidas
“Um elétron movendo-se ao redor do núcleo de um átomo só pode assumir valores de energia muito específicos. Tudo o que está entre eles é proibido; ele só pode mudar de um valor de energia permitido para outro valor de energia permitido, o que é conhecido como salto quântico, “diz o Prof. Karsten Held do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien. “É um pouco mais complicado com os elétrons nos sólidos, onde não apenas certos valores de energia são permitidos, mas faixas inteiras de energia – nós as chamamos de bandas de energia.”
Tanto a energia como o momento (ou velocidade) dos eletrões desempenham aqui um papel: o eletrão pode assumir diferentes valores de momento, o que significa que a sua energia também varia – mas apenas dentro de um determinado intervalo. Para passar de uma faixa de energia permitida para outra, é necessária uma porção maior de energia adicional.
Isoladores e metais condutores
Nos isoladores, essas faixas de energia permitidas são separadas umas das outras por uma ampla faixa de energia “proibida”. Isso evita que os elétrons passem de uma banda de baixa energia, na qual cada elétron permanece ligado ao seu núcleo atômico, para uma banda de maior energia, na qual ele poderia se mover de átomo em átomo através do material. Isso significa que todos os elétrons permanecem no lugar e nenhuma corrente elétrica pode fluir. Em um material eletricamente condutor, por outro lado, não existe essa faixa de energia proibida, os elétrons podem se mover facilmente.
“A forma como essas bandas de energia permitidas e proibidas são organizadas depende do material, especialmente da intensidade com que os elétrons interagem neste material”, diz Karsten Held. Essa força da interação eletrônica pode ser ajustada dopando o material com um certo número de tipos diferentes de átomos. Esta técnica é rotineiramente usada na produção de semicondutores.
Uma nova faixa energética nasce – e permanecens conectados por um “cordão umbilical”
Se esta força de interação for alterada continuamente, pode acontecer que uma faixa de energia permitida se divida em duas faixas de energia permitidas separadas. “Neste caso, é particularmente interessante ver que estrutura surge aqui e quais possíveis combinações de energia e momento resultam disso”, diz Karsten Held.
“Descobrimos que durante o processo de separação em duas bandas de energia permitidas, essas duas bandas inicialmente permanecem conectadas entre si por uma espécie de cordão umbilical quântico”, diz Karsten Held. Na maioria dos valores de momento, o elétron precisa tomar uma decisão: ele só pode estar na banda de energia superior ou inferior. Mas há um valor de momento para o qual é possível uma ampla gama de valores de energia – ele conecta ambas as bandas. Tais anomalias, com um valor de momento mas muitos valores de energia, foram encontradas em experiências anteriores, mas a causa inicialmente permaneceu obscura.
Juraj Krsnik e Karsten Held da TU Wien conseguiram agora mostrar que este fenómeno não é um caso exótico e isolado, mas que este “efeito cordão umbilical” está fadado a ocorrer quando a força de interacção entre os electrões cai dentro de um determinado intervalo. Isto significa que uma outra classe de estados deve agora ser levada em conta ao categorizar os sólidos.
Isto não é novidade na física do estado sólido: em 2016, por exemplo, o Prémio Nobel da Física foi atribuído aos chamados “estados topológicos” em supercondutores, outro novo conjunto de estados, que também são definidos por uma relação muito específica entre valores de energia e momento.
No entanto, o resultado é bastante surpreendente: “Conseguimos mostrar claramente que esta ligação semelhante a um cordão umbilical deve ocorrer naturalmente quando uma banda de energia se separa de outra”, diz Karsten Held. “Isso abre uma perspectiva totalmente nova sobre classes de materiais tecnologicamente altamente interessantes e nos mostra que há mais na ciência dos materiais entre condutores elétricos e isoladores do que se pensava anteriormente.”#
Publicação original
Juraj Krsnik, Karsten Held: Correlações locais necessitam de cachoeiras como uma conexão entre bandas de quasipartículas e bandas de Hubbard em desenvolvimento, Nature Communications volume 16, 255.
