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As misteriosas mudanças nas fases da matéria – do sólido para o líquido e vice-versa – fascinaram Eun-Ah Kim desde que ela estava no ensino fundamental na Coreia do Sul. Sem água potável prontamente disponível, em dias quentes as crianças traziam garrafas de água congelada para a escola.
Kim notou que quando a água derretia, o volume mudava.
“Isso me revelou que há algo ali que não consigo ver com meus olhos”, disse Kim, professor de física na Faculdade de Artes e Ciências. “A matéria ao meu redor é composta de entidades invisíveis que interagem e fazem algo juntas para mudar seu estado.”
O fascínio de Kim pelo derretimento continua, mas agora ela estuda transições em materiais mais exóticos do que a água: cristais de elétrons. Em um novo artigo, Kim e o primeiro autor Michael Matty, MS ’19, Ph.D. ’22, descreveram uma fase entre o líquido e o sólido para essas estruturas de elétrons – um estado de cristal líquido.
Seu artigo, “Melting of Generalized Wigner Crystals in Transition Metal Dichalcogenide Heterobilayer Moiré Systems”, publicado em 19 de novembro em Natureza Comunicações.
Como os elétrons são todos carregados negativamente, eles se repelem; assim, seu estado preferido é estar o mais longe possível de qualquer outro elétron no material que os contém. O arranjo regular de elétrons que resulta dessa repulsão igual em todas as direções é chamado de cristal de Wigner.
Kim e Matty queriam saber como os elétrons transitam de um arranjo regular como um cristal para outro arranjo regular como um cristal, ou como eles “derretem”.
Para encontrar a resposta, os pesquisadores estudaram como os elétrons interagem em uma grade artificial, chamada rede moiré, formada pela colocação de dois materiais atomicamente finos distintos um sobre o outro. Como estão em uma grade e não em uma superfície lisa, os elétrons não podem escolher locais arbitrários distantes uns dos outros, mas devem preencher um ponto na grade; a grade restringe como eles são organizados.
“Quando a grade está parcialmente preenchida, podemos ver o impacto de sua repulsão e quão fortemente os elétrons estão interagindo uns com os outros”, disse Kim. “Como resultado de sua interação, vemos que eles ocupam um intervalo regular de sites na rede, não intervalos aleatórios”.
A rede moiré particular que os pesquisadores consideraram para seu estudo foi desenvolvida pelos experimentalistas de Cornell Kin Fai Mak, professor de física (A&S) e professor associado de física na Cornell Engineering, e Jie Shan, professor de física (A&S) e física aplicada e de engenharia ( Engenharia).
“Os experimentalistas de Cornell estão na fronteira da pesquisa de material moiré artificial”, disse Kim, “fazendo esses experimentos incríveis com um grau surpreendente de controle, oferecendo oportunidades para que ideias teóricas se manifestem em sistemas físicos”.
Shan e Mak detectaram experimentalmente estruturas rígidas específicas que os elétrons formavam em grades parcialmente preenchidas. Kim e Matty estudaram como uma dessas estruturas faria a transição para outra. Eles descobriram que, quando as condições são alteradas, essa matriz rígida e muito regular se torna mais fluida.
Os pesquisadores identificaram uma fase intermediária entre sólido e líquido em elétrons que tem alguma regularidade, mas não tanto quanto um sólido, e não tanta liberdade quanto um líquido. Eles descobriram que os elétrons neste estado se organizam em pequenas tiras que podem se mover e se orientar em estruturas.
“Os cristais líquidos eletrônicos foram discutidos teoricamente, mas estamos fornecendo uma imagem visual de como eles podem se formar microscopicamente: quatro ou cinco elétrons formando uma peça que pode ser arranjada”, disse Kim. “O que conseguimos é uma compreensão microscópica do que só em princípio se sabia ser possível.”
O trabalho foi financiado pela National Science Foundation.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Cornell. Original escrito por Linda B. Glaser, cortesia do Cornell Chronicle. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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