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Jun 11, 2023

Físicos criam novo estado exótico da matéria: isolador correlacionado bosônico

Esta é a primeira vez que um cristal altamente ordenado de partículas bosônicas chamadas excitons foi criado em um sistema de matéria real – em oposição ao sintético. Xiong et al. observou um isolador correlacionado

Esta é a primeira vez que um cristal altamente ordenado de partículas bosônicas chamadas excitons foi criado em um sistema de matéria real – em oposição ao sintético.

Xiong et al. observaram um isolante correlacionado de excitons intercamadas em uma bicamada consistindo de disseleneto de tungstênio, que hospedava buracos, e dissulfeto de tungstênio, que hospedava elétrons. Crédito da imagem: Xiong et al., doi: 10.1126/science.add5574.

As partículas subatômicas vêm em um de dois grandes tipos: férmions e bósons. Uma das maiores distinções está em seu comportamento.

Os bósons podem ocupar o mesmo nível de energia; férmions não gostam de ficar juntos. 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, 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”, disse o primeiro autor, Richen Xiong, estudante de graduação na Universidade da Califórnia em Santa Bárbara.

“Os férmions têm spins meio inteiros, como 1/2 ou 3/2 etc., enquanto os bósons têm spins inteiros (1, 2, etc.).”

“Um exciton é um estado no qual um elétron com carga negativa (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.”

Para criar e identificar excitons em seu sistema, Xiong e colegas colocaram as duas redes em camadas e lançaram luzes fortes sobre elas em um método que eles chamam de espectroscopia de sonda de bomba.

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 conseguiam mais se mover”, disse o autor sênior, Dr. Chenhao Jin, físico da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara.

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”, disse 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.

A criação deste estado exótico da matéria prova que a plataforma moiré dos investigadores e a espectroscopia de bomba-sonda podem tornar-se um meio importante para a criação e investigação de materiais bosónicos.

“Existem fases de muitos corpos com férmions que resultam em coisas como supercondutividade”, explicou Xiong.

“Existem também contrapartes de muitos corpos com bósons que também são fases exóticas.”

“Então o que fizemos foi criar uma plataforma, porque não tínhamos realmente uma ótima maneira de estudar bósons em materiais reais.”

“Embora os excitons sejam bem estudados, até este projeto não havia uma maneira de induzi-los a interagir fortemente uns com os outros.”

Com o método da equipe, seria possível não apenas estudar partículas bosônicas bem conhecidas, como excitons, mas também abrir mais janelas para o mundo da matéria condensada com novos materiais bosônicos.

“Sabemos que alguns materiais têm propriedades muito bizarras”, disse Jin.

“E um dos objetivos da física da matéria condensada é entender por que eles têm essas propriedades ricas e encontrar maneiras de fazer com que esses comportamentos sejam mais confiáveis.”

O trabalho aparece na revista Science.