Elétrons da 'velocidade da luz' descobertos movendo-se em 4 dimensões pela primeira vez: WebCuriosos

Um comportamento indescritível dos elétrons foi finalmente isolado da atividade eletrônica mais mundana em um material do mundo real.

Uma equipe de físicos liderada por Ryuhei Oka, da Universidade Ehime, mediu o que é conhecido como elétrons de Dirac em um polímero supercondutor chamado bis (etilenoditio) -tetratiafulvaleno. São elétrons que existem sob condições que efetivamente os tornam sem massa, permitindo que se comportem mais como fótons e oscilem à velocidade da luz.

Esta descoberta, dizem os pesquisadores, permitirá uma melhor compreensão dos materiais topológicos – materiais quânticos que se comportam como isolantes eletrônicos por dentro e condutores por fora.

Supercondutores, semicondutores e materiais topológicos estão crescendo em relevância, principalmente por suas aplicações potenciais em computadores quânticos. Mas ainda não sabemos muito sobre esses materiais e como eles se comportam.

Os elétrons de Dirac referem-se a elétrons antigos comuns sob condições extraordinárias que requerem uma dose de relatividade especial para que os comportamentos quânticos sejam compreendidos. Aqui, a sobreposição de átomos coloca alguns de seus elétrons em um espaço estranho que lhes permite saltar em torno de materiais com excelente eficiência energética.

Formuladas a partir das equações do físico teórico Paul Dirac há quase um século, sabemos agora que elas existem – elas têm sido detectado em grafenoassim como outros materiais topológicos.

No entanto, para aproveitar o potencial dos eletrões de Dirac, precisamos de os compreender melhor, e é aqui que os físicos se deparam com um obstáculo. Os elétrons de Dirac coexistem com os elétrons padrão, o que significa que é muito difícil detectar e medir um tipo de forma inequívoca.

Oka e colegas encontraram uma maneira de fazer isso aproveitando uma propriedade chamada ressonância de spin do elétron. Os elétrons são partículas carregadas que giram; esta distribuição rotativa de carga significa que cada um deles exibe uma dipolo magnético. Assim, quando um campo magnético é aplicado a um material, ele pode interagir com os spins de quaisquer elétrons desemparelhados, alterando seu estado de spin.

Esta técnica pode permitir aos físicos detectar e observar elétrons desemparelhados. E, como Oka e outros pesquisadores descobriram, também pode ser usado para observar diretamente o comportamento dos elétrons de Dirac no bis (etilenoditio) -tetratiafulvaleno, distinguindo-os dos elétrons padrão como diferentes sistemas de spin.

A equipe descobriu que, para entendê-lo completamente, o elétron de Dirac precisa ser descrito em quatro dimensões. Existem as três dimensões espaciais padrão, os eixos x, y e z; e depois há o nível de energia do elétron, que constitui uma quarta dimensão.

“Como as estruturas de bandas 3D não podem ser representadas em um espaço quadridimensional,” os pesquisadores explicam em seu artigo“o método de análise aqui proposto fornece uma maneira geral de apresentar informações importantes e fáceis de entender de tais estruturas de bandas que não podem ser obtidas de outra forma.”

Ao analisar o elétron de Dirac com base nessas dimensões, os pesquisadores conseguiram descobrir algo que não sabíamos antes. A velocidade de seu movimento não é constante; em vez disso, depende da temperatura e do ângulo do campo magnético no material.

Isto significa que temos agora outra peça do puzzle que nos ajuda a compreender o comportamento dos electrões de Dirac – uma peça que pode ajudar a aproveitar as suas propriedades em tecnologias futuras.

A pesquisa da equipe foi publicada em Avanços em Materiais.