Matéria exótica descoberta: físicos tropeçam em um material composto de bósons

By Universidade da Califórnia - Santa Bárbara 11 de junho de 2023

Os cientistas descobriram um novo estado da matéria, denominado “isolante bosônico correlacionado”, através da interação de partículas bosônicas chamadas excitons. Esta pesquisa pode abrir caminho para novos entendimentos na física da matéria condensada e para a criação de novos materiais bosônicos.

Os pesquisadores descobriram um novo estado da matéria, que chamam de “isolante correlacionado bosônico”, um conjunto cristalino de partículas bosônicas, especificamente excitons.

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 bordas ou as células de ambas as redes, gire a grade superior para que você possa ver partes da grade inferior através dela. Este novo terceiro padrão é um moiré, e é entre esse tipo de arranjo sobreposto de redes de disseleneto de tungstênio e dissulfeto de tungstênio que os físicos da UC Santa Bárbara encontraram alguns comportamentos materiais interessantes.

“Descobrimos um novo estado da matéria – um isolante bosônico correlacionado”, disse Richen Xiong, estudante de pós-graduação do grupo do físico de matéria condensada da UCSB, Chenhao Jin, e principal autor de um artigo na revista Science. De acordo com Xiong, Jin e colaboradores da UCSB, da Universidade Estadual do Arizona e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão, esta é a primeira vez que tal material foi criado em um sistema de matéria “real” (em oposição ao sintético). O material único é um cristal altamente ordenado de partículas bosônicas chamadas excitons.

“Convencionalmente, as pessoas dedicam 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 da interação de bósons.”

Dois empilhados com um ligeiramente deslocado criam um novo padrão chamado moiré. Crédito: Matt Perko

As partículas subatômicas vêm em um de dois grandes tipos: férmions e bósons. Uma das maiores distinções está no comportamento deles, 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 passageiros ou não interagem entre si.

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

O Jin Lab, da esquerda para a direita: Tian Xie, Richen Xiong, Chenhao Jin, Samuel L. Brantly. CréditoSonia Fernandez

Para criar e identificar excitons em seu sistema, os pesquisadores colocaram as duas redes em camadas e lançaram luzes fortes sobre elas em um método que eles chamam de “espectroscopia bomba-sonda”. A combinação de partículas de cada uma das redes (elétrons do dissulfeto de tungstênio e buracos do disseleneto de tungstênio) e a luz criaram um ambiente favorável para a formação e interações entre os excitons, permitindo aos pesquisadores sondar o comportamento dessas partículas.

“E quando esses excitons atingiram uma certa densidade, eles não conseguiram mais se mover”, disse Jin. Graças a fortes interações, o comportamento coletivo destas partículas a uma certa densidade forçou-as a um estado cristalino e criou 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 isolante sólido simétrico e de carga neutra.