Físicos descobrem um material exótico feito de bósons

7 de junho de 2023

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por Sonia Fernandez, Universidade da Califórnia - Santa Bárbara

Pegue uma treliça - uma seção plana de uma grade de células uniformes, como uma tela de janela ou um favo de mel - e coloque outra treliça semelhante acima dela. Mas, em vez de tentar alinhar as arestas ou as células de ambas as treliças, gire a grade superior para que você possa ver as partes da grade inferior através dela. Esse novo terceiro padrão é um moiré, e é entre esse tipo de arranjo sobreposto de treliças de disseleneto de tungstênio e dissulfeto de tungstênio onde os físicos da UC Santa Barbara encontraram alguns comportamentos materiais interessantes.

"Descobrimos um novo estado da matéria - um isolador correlacionado com bosônicos", disse Richen Xiong, pesquisador de pós-graduação do grupo do físico de matéria condensada da UCSB Chenhao Jin e principal autor de um artigo publicado na revista Science.

De acordo com Xiong, Jin e colaboradores da UCSB, Arizona State University e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão, esta é a primeira vez que tal material – um cristal altamente ordenado de partículas bosônicas chamadas excitons – foi criado em um ambiente “real”. (em oposição ao sistema de matéria sintética).

“Convencionalmente, as pessoas gastam a maior parte de seus esforços para entender o que acontece quando você junta muitos férmions”, disse Jin. “O principal objetivo do nosso trabalho é que basicamente criamos um novo material a partir de bósons interativos”.

Partículas subatômicas vêm em um dos dois tipos amplos: férmions e bósons. Uma das maiores distinções está em seu comportamento, disse Jin.

“Os bósons podem ocupar o mesmo nível de energia; os férmions não gostam de ficar juntos”, disse ele, “juntos, esses comportamentos constroem o universo como o conhecemos”.

Os férmions, como os elétrons, estão na base da matéria com a qual estamos mais familiarizados, pois são estáveis ​​e interagem por meio da força eletrostática. Enquanto isso, os bósons, como os fótons (partículas de luz), tendem a ser mais difíceis de criar ou manipular, pois são fugazes ou não interagem entre si.

Uma pista para seus comportamentos distintos está em suas diferentes características de mecânica quântica, explicou Xiong. Os férmions têm "spins" meio inteiros, como 1/2 ou 3/2 et cetera, enquanto os bósons têm spins inteiros (1, 2, etc.). Um exciton é um estado no qual um elétron carregado negativamente (um férmion) está ligado ao seu "buraco" oposto carregado positivamente (outro férmion), com os dois spins semi-inteiros juntos tornando-se um inteiro inteiro, criando uma partícula bosônica.

Para criar e identificar éxcitons em seu sistema, os pesquisadores colocaram as duas redes em camadas e iluminaram-nas com luzes fortes em um método que chamam de "espectroscopia de sonda de bomba". A combinação de partículas de cada uma das redes (elétrons do dissulfeto de tungstênio e os buracos do disseleneto de tungstênio) e a luz criaram um ambiente favorável para a formação e interações entre os excitons, permitindo que os pesquisadores sondassem o comportamento dessas partículas.

“E quando esses éxcitons atingiram uma certa densidade, eles não podiam mais se mover”, disse Jin. Graças a fortes interações, os comportamentos coletivos dessas partículas em uma certa densidade as forçaram a um estado cristalino e criaram um efeito isolante devido à sua imobilidade.

“O que aconteceu aqui é que descobrimos a correlação que levou os bósons a um estado altamente ordenado”, acrescentou Xiong. Geralmente, uma coleção solta de bósons sob temperaturas ultrafrias formará um condensado, mas neste sistema, com luz e maior densidade e interação em temperaturas relativamente mais altas, eles se organizaram em um sólido simétrico e isolante de carga neutra.