Estudo revela estados escuros da matéria condensada em um sistema quântico com dois pares de sub-redes

Estados escuros são estados quânticos nos quais um sistema não interage com campos externos, como luz (ou seja, fótons) ou campos eletromagnéticos. Esses estados, que geralmente ocorrem devido a interferências entre os caminhos pelos quais um sistema interage com um campo externo, são indetectáveis ​​usando técnicas espectroscópicas.

Pesquisadores da Universidade Yonsei, na Coreia do Sul, e outros institutos descobriram recentemente alguns estados escuros de matéria condensada indetectáveis ​​no disseleneto de paládio, um sistema quântico com dois pares de sub-redes em sua célula primitiva.

As suas observações, descritas num artigo publicado em Física da Naturezapoderia ter implicações interessantes para o estudo de materiais, estados quânticos e fenômenos correlacionados.

“A espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo é uma técnica experimental poderosa para físicos entenderem como os elétrons se comportam em sólidos”, disse Keun Su Kim, professor de Física na Universidade Yonsei e coautor do artigo, ao Phys.org.

“Por experiência, é bem sabido que nem todos os elétrons são detectados pela espectroscopia de fotoemissão com resolução angular. Em outras palavras, alguns elétrons são detectáveis, mas outros não.”

Por muito tempo, os físicos presumiram que a incapacidade de detectar alguns elétrons usando técnicas espectroscópicas estava associada aos métodos usados ​​para conduzir experimentos, e não às propriedades intrínsecas dos materiais.

Entretanto, em estudos anteriores examinando materiais elementares simples com um par de sub-redes, como grafeno e fósforo preto, Kim e seus colegas mostraram que essa elusividade está, de fato, intimamente ligada às propriedades intrínsecas dos materiais.

“Nós nos aprofundamos nesse problema para estendê-lo a materiais com dois pares de sub-redes e descobrimos que há alguns elétrons que não podem ser detectados em nenhuma condição experimental”, disse Kim. “Simplificando, pudemos ver sinais experimentais apenas para elétrons que se espera serem detectáveis ​​(estados brilhantes) e não pudemos ver nenhum sinal experimental para elétrons que se espera serem indetectáveis ​​(estados escuros).”

Para realizar seus experimentos, os pesquisadores empregaram uma técnica conhecida como espectroscopia de fotoemissão de resolução angular. Essa técnica experimental amplamente usada alavanca o efeito fotoelétrico descoberto por Albert Einstein para reunir informações sobre a estrutura eletrônica dos materiais.

Basicamente, Kim e seus colegas irradiaram suas amostras com um feixe de fótons de alta energia. Esse feixe de energia ejetou alguns elétrons da amostra, permitindo que eles coletassem informações sobre a energia e o momento que eles exibiam enquanto ainda estavam na amostra.

“Neste trabalho, estudamos três materiais, os disselenetos de paládio (PdSe₂), supercondutores de cuprato (Bi₂Sr₂CaCu₂O₈+δ ou Bi-2212) e perovskitas de haleto de chumbo (CsPbBr₃)”, explicou Kim. “Uma importante propriedade comum desses três materiais é que eles têm certas simetrias cristalinas (múltiplas simetrias de espelho deslizante) que tornam todos os elétrons nas amostras sólidas caracterizáveis ​​como um dos quatro tipos.”

Essencialmente, os pesquisadores descobriram que elétrons em sistemas quânticos com dois pares de sub-redes podem ser caracterizados em quatro categorias diferentes. Um desses tipos de elétrons pode ser detectado usando espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo, enquanto os outros três tipos eram indetectáveis, pois estavam em estados escuros.

“É apenas uma possibilidade por enquanto, mas nosso resultado oferece uma nova maneira de explicar um dos problemas de longa data no estudo da supercondutividade de alta temperatura, chamado de ‘arco de Fermi’”, disse Kim. “Nossa natureza é muito complexa para incluir tudo no modelo teórico, e frequentemente você precisa fazer uma escolha sobre o que incluir e o que excluir para aproximação. A rigor, há sub-redes na estrutura unitária dos supercondutores cupratos, mas essas sub-redes foram negligenciadas até agora.”

O trabalho recente desta equipe demonstra a existência de estados escuros em vários sistemas quânticos com dois pares de sub-redes, incluindo diselenetos de paládio, supercondutores de cuprato e perovskitas de haleto de chumbo. No futuro, isso pode ter implicações importantes para o estudo desses materiais, potencialmente ampliando a compreensão de sua física subjacente.

“Nossas descobertas levantam a questão de se é realmente OK deixar de fora sub-redes na estrutura unitária de supercondutores de cuprato ao interpretar dados de espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo coletados desses materiais”, acrescentou Kim. “Nosso plano para pesquisas futuras é investigar o problema do arco de Fermi de supercondutores de cuprato no mesmo contexto, mas mais profundamente. Já temos alguns resultados promissores e estamos trabalhando no próximo artigo.”

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