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Um sistema modelo criado pelo empilhamento de um par de semicondutores de monocamada está dando aos físicos uma maneira mais simples de estudar o comportamento quântico confuso, de férmions pesados a transições de fase quântica exóticas.
O artigo do grupo, “Gate-Tunable Heavy Fermions in a Moiré Kondo Lattice”, publicado em 15 de março na Natureza. O principal autor é o colega de pós-doutorado Wenjin Zhao no Kavli Institute em Cornell.
O projeto foi liderado por Kin Fai Mak, professor de física na Faculdade de Artes e Ciências, e Jie Shan, professor de física aplicada e de engenharia na Cornell Engineering e na A&S, os co-autores seniores do artigo. Ambos os pesquisadores são membros do Kavli Institute; eles chegaram a Cornell por meio da iniciativa Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) do reitor.
A equipe decidiu abordar o que é conhecido como efeito Kondo, em homenagem ao físico teórico japonês Jun Kondo. Há cerca de seis décadas, físicos experimentais descobriram que, ao pegar um metal e substituir até mesmo um pequeno número de átomos por impurezas magnéticas, eles poderiam dispersar os elétrons de condução do material e alterar radicalmente sua resistividade.
Esse fenômeno intrigou os físicos, mas Kondo o explicou com um modelo que mostrou como os elétrons de condução podem “proteger” as impurezas magnéticas, de modo que o spin do elétron pareie com o spin de uma impureza magnética em direções opostas, formando um singleto.
Embora o problema da impureza Kondo seja agora bem compreendido, o problema da rede Kondo – uma rede regular de momentos magnéticos em vez de impurezas magnéticas aleatórias – é muito mais complicado e continua a confundir os físicos. Estudos experimentais do problema da rede Kondo geralmente envolvem compostos intermetálicos de elementos de terras raras, mas esses materiais têm suas próprias limitações.
“Quando você desce até a parte inferior da Tabela Periódica, acaba com algo como 70 elétrons em um átomo”, disse Mak. “A estrutura eletrônica do material se torna muito complicada. É muito difícil descrever o que está acontecendo mesmo sem as interações de Kondo.”
Os pesquisadores simularam a rede Kondo empilhando monocamadas ultrafinas de dois semicondutores: ditelureto de molibdênio, sintonizado em um estado isolante de Mott, e disseleneto de tungstênio, dopado com elétrons de condução itinerantes. Esses materiais são muito mais simples do que compostos intermetálicos volumosos e são combinados com um toque inteligente. Ao girar as camadas em um ângulo de 180 graus, sua sobreposição resulta em um padrão de treliça moiré que aprisiona elétrons individuais em pequenos slots, semelhantes a ovos em uma caixa de ovos.
Essa configuração evita a complicação de dezenas de elétrons misturados nos elementos de terras raras. E, em vez de exigir química para preparar a matriz regular de momentos magnéticos nos compostos intermetálicos, a rede Kondo simplificada precisa apenas de uma bateria. Quando uma voltagem é aplicada da maneira certa, o material é ordenado para formar uma treliça de spins, e quando um disca para uma voltagem diferente, os spins são extintos, produzindo um sistema continuamente sintonizável.
“Tudo se torna muito mais simples e muito mais controlável”, disse Mak.
Os pesquisadores foram capazes de ajustar continuamente a massa do elétron e a densidade dos spins, o que não pode ser feito em um material convencional, e no processo eles observaram que os elétrons vestidos com a rede de spin podem se tornar 10 a 20 vezes mais pesados do que o “núcleo”. “elétrons, dependendo da tensão aplicada.
A sintonização também pode induzir transições de fase quântica em que elétrons pesados se transformam em elétrons leves com, no meio, o possível surgimento de uma fase metálica “estranha”, na qual a resistência elétrica aumenta linearmente com a temperatura. A realização deste tipo de transição pode ser particularmente útil para entender a fenomenologia supercondutora de alta temperatura em óxidos de cobre.
“Nossos resultados podem fornecer uma referência de laboratório para os teóricos”, disse Mak. “Na física da matéria condensada, os teóricos estão tentando lidar com o complicado problema de um trilhão de elétrons interagindo. Seria ótimo se eles não precisassem se preocupar com outras complicações, como química e ciência dos materiais, em materiais reais. Então eles muitas vezes estudamos esses materiais com um modelo de rede Kondo de ‘vaca esférica’. No mundo real, você não pode criar uma vaca esférica, mas em nosso material agora criamos um para a rede Kondo.”
Os co-autores incluem estudantes de doutorado Bowen Shen e Zui Tao; pesquisadores de pós-doutorado Kaifei Kang e Zhongdong Han; e pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência de Materiais em Tsukuba, Japão.
A pesquisa foi apoiada principalmente pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, pela National Science Foundation, pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Fundação Gordon e Betty Moore.
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