Graças aos elétrons aprisionados, um material que se espera ser um metal condutor permanece um isolante

14 de julho de 2023

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pelo Departamento de Energia dos EUA

Uma nova pesquisa lança luz sobre o mecanismo por trás de como um material especial muda de um metal eletricamente condutor para um isolante elétrico. Os pesquisadores estudaram o óxido de níquel e estrôncio de lantânio (La1.67Sr0.33NiO4) derivado de um material quântico La2NiO4. Os materiais quânticos têm propriedades incomuns que resultam da forma como seus elétrons interagem. Abaixo de uma temperatura crítica, o material dopado com estrôncio é um isolante. Isto se deve à separação dos furos introduzidos das regiões magnéticas, formando “listras”. À medida que a temperatura aumenta, essas listras flutuam e derretem a 240K. A esta temperatura, os investigadores esperavam que o material se tornasse um metal condutor. Em vez disso, continua sendo um material isolante. A dispersão de nêutrons esclarece esse fenômeno intrigante. Os resultados indicam que o material permanece isolante devido a certas vibrações atômicas que prendem os elétrons e, assim, impedem a condução elétrica.

Os materiais quânticos têm propriedades que não são previstas pelas partes que os compõem. Por exemplo, eles podem fazer a transição de metais para isolantes ou atuar como supercondutores. Eles são uma promessa tremenda para aplicações em ciência e tecnologia. Esta pesquisa descreve a sintonia da interação elétron-fônon na transição metal-isolante em um material quântico. Os resultados ajudarão a validar modelos teóricos de materiais que possuem elétrons fortemente interagindo. Essas teorias ajudarão os cientistas a projetar novos materiais quânticos para tecnologias futuras.

Nos metais, os elétrons podem ser considerados partículas livres voando ao longo de trajetórias impostas pela estrutura cristalina. Nas últimas décadas, os cientistas descobriram novos materiais onde os elétrons se repelem fortemente e refletem nas vibrações atômicas do cristal hospedeiro. Esses materiais apresentam propriedades incomuns e tecnologicamente úteis. Essas propriedades podem incluir queda dramática na resistência elétrica em campos magnéticos, condução de elétrons apenas na superfície e supercondutividade em alta temperatura. Compreender estas propriedades em diferentes materiais continua a ser um grande desafio para a comunidade científica.

Este trabalho usou feixes de nêutrons de alta intensidade na Spallation Neutron Source, uma instalação do Departamento de Energia do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL), para olhar profundamente dentro de um arquétipo de material quântico La2NiO4 no qual um sexto dos átomos de lantânio (La) são substituídos com átomos de estrôncio (Sr) (La1.67Sr0.33NiO4). A equipe incluiu pesquisadores da Universidade do Colorado em Boulder, ORNL, Laboratório Nacional de Brookhaven e do Centro RIKEN para Ciência da Matéria Emergente no Japão. Esses materiais são isolantes em baixas temperaturas devido à chamada ordem de "faixa" que resulta da complexa interação entre os spins eletrônicos e os buracos introduzidos devido à dopagem com estrôncio. Espera-se que o material dopado se torne metálico acima de 240K quando as listras derreterem. No entanto, o material permanece isolante. A colaboração descobriu forte atrito entre os buracos e certas vibrações de íons de oxigênio e encontrou evidências dessa interação em outros materiais de estrutura semelhante. O mecanismo microscópico poderia abrir caminho para o design de novos materiais com propriedades incomuns, úteis para várias tecnologias quânticas.

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