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Cientistas criam novo estado da matéria, o supercristal, usando lasers

Compartilhe:     |  22 de março de 2019

Um supercristal foi criado por pesquisadores da Pennsylvania State University e do Argonne National Laboratory, representando um novo estado da matéria capaz de ficar estável por um longo período de tempo. O objetivo da equipe de pesquisa é descobrir estados de matéria com propriedades incomuns que não existem em equilíbrio na natureza.

“Estamos procurando por estados ocultos da matéria, retirando a matéria do seu estado confortável, que chamamos de estado fundamental”, explica Venkatraman Gopalan, professor de ciência dos materiais na Pennsylvania State University.

“Fazemos isso excitando os elétrons em um estado mais alto usando um fóton, e então observando enquanto o material retorna ao seu estado normal. A ideia é que, no estado excitado, ou em um estado que ele passa em um piscar de olhos no caminho para o estado fundamental, encontraremos propriedades que gostaríamos de ter, como novas formas de estados polar, magnético e eletrônico.”

Mas encontrar esses estados não é uma tarefa fácil, claro, já que é um grande desafio manter o estado intermediário da matéria, que pode existir apenas por uma pequena fração de segundo e depois desaparecer. No entanto, os pesquisadores descobriram que, à temperatura ambiente, o supercristal fica estável.

Segundo Gopalan, esse processo é como uma bola de neve rolando pelo lado da montanha que não vai parar até chegar ao fundo, a menos que alguma coisa atrapalhe. A equipe conseguiu isso “frustrando o sistema” — não permitindo que o material fizesse o que ele queria fazer, que é minimizar sua energia.

Para realizar a experiência, os pesquisadores usaram camadas atômicas únicas de dois materiais, titanato de chumbo e titanato de estrôncio, empilhados em camadas alternadas umas sobre as outras para formar uma estrutura tridimensional. O titanato de chumbo é um ferroelétrico, um material polar que possui polarização elétrica, gerando pólos elétricos positivos e negativos no material. Já o titanato de estrôncio não é um material ferroelétrico. Essa incompatibilidade forçou os vetores de polarização elétrica a tomarem um caminho não natural, curvando-se sobre si mesmos para fazer vórtices.

Essas camadas foram cultivadas entre os dois materiais, em cima de um substrato cujos cristais eram de tamanho intermediário, criando mais uma barreira. Com isso, a camada de titanato de estrôncio tentou esticar para se adaptar à estrutura cristalina do substrato, e o titanato de chumbo teve que se comprimir para se ajustar a ele. Isso colocou todo o sistema em um estado delicado, mas “frustrado”, com múltiplas fases distribuídas aleatoriamente no volume.

Os pesquisadores atingiram o material com um laser que despeja cargas livres no material, adicionando energia elétrica extra para o sistema, levando-o para um novo estado da matéria, um supercristal. Essas estruturas têm uma célula unitária — a unidade de repetição mais simples em um cristal — muito maior do que qualquer cristal inorgânico comum, com um volume um milhão de vezes maior que as células unitárias dos dois materiais originais. O material encontra esse estado por conta própria.

Ao contrário dos estados transitórios, esse estado supercristalino permanece em temperatura ambiente. Ele é comprometido quando aquecido a cerca de 350 graus Fahrenheit (aproximadamente 149 ºC).



Fonte: Revista Galileu



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