Um comportamento indescritível dos elétrons foi finalmente isolado da atividade eletrônica mais básicas em um material do mundo real.
Uma equipe de físicos liderada por Ryuhei Oka, da Universidade Ehime, mediu o que é conhecido como elétrons de Dirac em um polímero supercondutor chamado bis (etilenoditio) -tetratiafulvaleno. São elétrons que existem sob condições que efetivamente os tornam sem massa, permitindo que se comportem mais como fótons e oscilem à velocidade da luz.
Esta descoberta, dizem os pesquisadores, permitirá uma melhor compreensão dos materiais topológicos – materiais quânticos que se comportam como isolantes eletrônicos por dentro e condutores por fora.
Supercondutores, semicondutores e materiais topológicos estão crescendo em relevância, principalmente por suas aplicações potenciais em computadores quânticos. Mas ainda não sabemos muito sobre esses materiais e como eles se comportam.
Os elétrons de Dirac referem-se a elétrons antigos comuns sob condições extraordinárias que requerem uma dose de relatividade especial para que os comportamentos quânticos sejam compreendidos. Aqui, a sobreposição de átomos coloca alguns de seus elétrons em um espaço estranho que lhes permite saltar em torno de materiais com excelente eficiência energética.
Formuladas a partir das equações do físico teórico Paul Dirac há quase um século, sabemos agora que elas existem – foram detectadas no grafeno , bem como em outros materiais topológicos.
No entanto, para aproveitar o potencial dos eletrões de Dirac, precisamos de os compreender melhor, e é aqui que os físicos se deparam com um obstáculo. Os elétrons de Dirac coexistem com os elétrons padrão, o que significa que é muito difícil detectar e medir um tipo de forma inequívoca.
Oka e colegas encontraram uma maneira de fazer isso aproveitando uma propriedade chamada ressonância de spin do elétron. Os elétrons são partículas carregadas que giram; esta distribuição rotativa de carga significa que cada um deles exibe um dipolo magnético. Assim, quando um campo magnético é aplicado a um material, ele pode interagir com os spins de quaisquer elétrons desemparelhados, alterando seu estado de spin.
Esta técnica pode permitir aos físicos detectar e observar elétrons desemparelhados. E, como Oka e outros pesquisadores descobriram, também pode ser usado para observar diretamente o comportamento dos elétrons de Dirac no bis (etilenoditio) -tetratiafulvaleno, distinguindo-os dos elétrons padrão como diferentes sistemas de spin.
A equipe descobriu que, para entendê-lo completamente, o elétron de Dirac precisa ser descrito em quatro dimensões. Existem as três dimensões espaciais padrão, os eixos x, y e z; e depois há o nível de energia do elétron, que constitui uma quarta dimensão.
“Como as estruturas de bandas 3D não podem ser representadas em um espaço quadridimensional”, explicam os pesquisadores em seu artigo , “o método de análise aqui proposto fornece uma maneira geral de apresentar informações importantes e fáceis de entender de tais estruturas de bandas que não podem ser obtido de outra forma.”
Ao analisar o elétron de Dirac com base nessas dimensões, os pesquisadores conseguiram descobrir algo que não sabíamos antes. A velocidade de seu movimento não é constante; em vez disso, depende da temperatura e do ângulo do campo magnético no material.
Isto significa que temos agora outra peça do puzzle que nos ajuda a compreender o comportamento dos electrões de Dirac – uma peça que pode ajudar a aproveitar as suas propriedades em tecnologias futuras.
A pesquisa da equipe foi publicada em Material Advances.
Fonte: sciencealert
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