Novo tipo de transição de fases em cristais pode impactar futuras tecnologias

Um cristal composto em camadas, chamado EuTe4, teve um comportamento surpreendente em uma nova pesquisa realizada por uma equipe internacional de cientistas. Eles descobriram que o EuTe4 tem uma ampla faixa de temperatura para apresentar um fenômeno conhecido como “histerese”.

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A histerese é um fenômeno relacionado às mudanças de temperatura e à memória térmica de um material. Quando mudamos a temperatura, a resposta de qualquer objeto depende da história do material que o compõe. Uma histerese indica que o sistema está preso em algum mínimo local, mas não global, no cenário de energia.

Uma histerese diferente

Quando a temperatura muda, muitos materiais sofrem uma transição de fase, como a água líquida para o gelo ou vapor. Às vezes, o loop de histerese acompanha essa mudança de fase, de modo que as temperaturas de transição são diferentes dependendo se o material é resfriado ou aquecido.

Em sólidos cristalinos onde há um padrão no arranjo atômico, a histerese costuma ocorrer em uma faixa de temperatura bastante estreita — entre algumas dezenas de kelvin, na maioria dos casos. Porém, a transição histerética no EuTe4 cobre uma faixa enorme de temperatura, de mais de 400 kelvin.

Este “vão térmico” estabelece um recorde absoluto entre os sólidos cristalinos nesse tipo de experimento e cria expectativas aos cientistas de um novo tipo de transição em materiais que possuem uma estrutura em camadas. Em outras palavras, pesquisas sobre o comportamento histerético em sólidos em faixas de temperatura extremas podem abrir novas possibilidades científicas.

Outros comportamentos esquisitos foram encontrados na histerese no EuTe4, como a ausência de mudanças na estrutura eletrônica ao longo dessa faixa de temperatura de 400 kelvin. Isso, para os cientistas, ainda é um mistério intrigante porque difere de outras transições histeréticas que dependem mais da taxa de resfriamento ou aquecimento.

Essa anomalia talvez seja explicada pela forma como os elétrons são organizados neste cristal. À temperatura ambiente, os elétrons de um cristal EuTe4 condensam-se espontaneamente em regiões de baixa e alta densidade, de acordo com os pesquisadores, formando um cristal eletrônico secundário no topo da rede periódica original. Isso significa que talvez um cristal eletrônico secundário se forma e se move, criando diferentes configurações no loop de histerese.

Memória térmica

De acordo com o físico Alfred Zong, do MIT, "a propriedade elétrica do material de alguma forma tem uma memória de sua história térmica e, microscopicamente, as propriedades do material podem reter as características de uma temperatura diferente no passado. Essa 'memória térmica' pode ser usada como um registrador permanente de temperatura".

Os muitos estados metaestáveis ​​que residem nesse loop de histerese gigante devem permitir que os cientistas controlarem a propriedade elétrica dos materiais semelhantes ao EuTe4. Isso pode resultar em novas tecnologias para interruptores elétricos de próxima geração ou memória de computador que retém os dados quando o equipamento é desligado.

Este trabalho, no entanto, deve ser expandido ainda mais para observar o comportamento em outros sólidos e como eles mudam quando expostos a temperaturas extremas. Os pesquisadores suspeitam haver mais para descobrir além da faixa de 400 Kelvin, mas esta foi a temperatura máxima que o equipamento laboratorial permitia.

Para os próximos estudos, a equipe pretende "enganar" o EuTe4 em um estado resistivo diferente após atingi-lo com um único flash de luz, "tornando-o um interruptor elétrico ultrarrápido que pode ser usado, por exemplo, em dispositivos de computação", disse o físico Nuh Gedik , do MIT. A pesquisa foi publicada na Physical Review Letters.

Fonte: Physical Review Letters; Via: MIT, ScienceAlert