O trabalho abre novos caminhos para a compreensão e manipulação de elétrons em materiais
Físicos e colegas do MIT mediram pela primeira vez a geometria, ou forma, dos elétrons em sólidos no nível quântico. Os cientistas sabem há muito tempo como medir as energias e velocidades dos electrões em materiais cristalinos, mas até agora, a geometria quântica desses sistemas só podia ser inferida teoricamente, ou por vezes nem sequer.
O trabalho, relatado no Edição de 25 de novembro da Física da Natureza, “abre novos caminhos para a compreensão e manipulação das propriedades quânticas dos materiais”, diz Ricardo CominProfessor Associado de Física de Desenvolvimento de Carreira da turma de 1947 do MIT e líder do trabalho.
“Desenvolvemos essencialmente um plano para obter informações completamente novas que não podiam ser obtidas antes”, diz Comin, que também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT e ao Laboratório de Pesquisa de Eletrônica. O trabalho poderia ser aplicado a “qualquer tipo de materials quântico, não apenas aquele com o qual trabalhamos”, diz Mingu Kang, primeiro autor do artigo da Nature Physics e Kavli Postdoctoral Fellow no Laboratório de Física Atômica e do Estado Sólido de Cornell. Kang, MIT PhD 2023, conduziu o trabalho como estudante de pós-graduação no MIT.
Kang também foi convidado para escrever um acompanhamento Briefing de pesquisa sobre o trabalho, incluindo suas implicações, para a edição de 25 de novembro da Nature Physics.
Um mundo estranho
No estranho mundo da física quântica, um elétron pode ser descrito tanto como um ponto no espaço quanto como uma forma de onda. No centro do trabalho atual está um objeto basic conhecido como função de onda que descreve esta última. “Você pode pensar nisso como uma superfície em um espaço tridimensional”, diz Comin.
Existem diferentes tipos de funções de onda, desde as simples até as complexas. Pense em uma bola. Isso é análogo a uma função de onda simples ou trivial. Agora think about uma tira de Mobius, o tipo de estrutura explorada por MC Escher em sua arte. Isso é análogo a uma função de onda complexa ou não trivial. E o mundo quântico está repleto de materiais compostos por estes últimos.
Mas até agora, a geometria quântica das funções de onda só poderia ser inferida teoricamente, ou às vezes nem poderia ser inferida. E a propriedade está se tornando cada vez mais importante à medida que os físicos encontram cada vez mais materiais quânticos com aplicações potenciais em tudo, desde computadores quânticos até dispositivos eletrônicos e magnéticos avançados.
A equipe do MIT resolveu o problema usando uma técnica chamada espectroscopia de fotoemissão com resolução angular, ou ARPES. Comin, Kang e alguns dos mesmos colegas usaram a técnica em outras pesquisas. Por exemplo, em 2022 eles relataram descobrindo o ‘molho secreto’ por trás das propriedades exóticas de um novo materials quântico conhecido como metallic kagome. Esse trabalho também apareceu na Nature Physics. No trabalho atual, a equipe adaptou o ARPES para medir a geometria quântica de um metallic kagome.
Fechar colaborações
Kang sublinha que a nova capacidade de medir a geometria quântica dos materiais “vem da estreita cooperação entre teóricos e experimentalistas”.
A pandemia de COVID também teve um impacto. Kang, que é sul-coreano, morou naquele país durante a pandemia. “Isso facilitou a colaboração com teóricos da Coreia do Sul”, diz Kang, um experimentalista.
A pandemia também gerou uma oportunidade incomum para Comin. Ele viajou para a Itália para ajudar a conduzir os experimentos ARPES na Fonte de Luz Italiana Elettra, um laboratório nacional. O laboratório foi fechado durante a pandemia, mas estava começando a reabrir quando Comin chegou. Ele se viu sozinho, porém, quando Kang testou positivo para COVID e não pôde se juntar a ele. Então, ele mesmo, inadvertidamente, conduziu os experimentos com o apoio de cientistas locais. “Como professor, eu lidero projetos, mas os alunos e pós-doutorandos realmente realizam o trabalho. Portanto, este é basicamente o último estudo em que realmente contribuí para os próprios experimentos”, diz ele com um sorriso.
Além de Kang e Comin, outros autores do artigo da Nature Physics são Sunje Kim, da Universidade Nacional de Seul (Kim é co-autor com Kang); Paul M. Neves, estudante de pós-graduação do Departamento de Física do MIT; Linda Ye, da Universidade de Stanford; Junseo Jung, da Universidade Nacional de Seul; Denny Puntel, da Universidade de Trieste; Federico Mazzola do Consiglio Nazionale delle Ricerche e da Universidade Ca’ Foscari de Veneza; Shiang Fang do Google DeepMind; Chris Jozwiak, Aaron Bostwick e Eli Rotenberg do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley; Jun Fuji e Ivana Vobornik do Consiglio Nazionale delle Ricerche; Jae-Hoon Park de Max Planck POSTECH/Iniciativa de Pesquisa da Coreia e Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang; Joseph G. Checkelsky, Professor Associado de Física no MIT; e Bohm-Jung Yang, da Universidade Nacional de Seul, que co-liderou o projeto de pesquisa com Comin.
Este trabalho foi financiado pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, pela Fundação Nacional de Ciência, pela Fundação Gordon e Betty Moore, pela Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia, pela Fundação de Ciência e Tecnologia Samsung, pelo Escritório de Pesquisa do Exército, pelo Departamento de Energia OUice de Science, o Heising-Simons Physics Analysis Fellow Program, a Tsinghua Schooling Basis, a instalação NFFA-MUR Italy Progetti Internazionali, a Samsung Basis of Tradition e o Kavli Institute em Cornell.
