Redefinindo a física com cargas fracionárias

Fracionamento de Carga Observado Espectroscopicamente

Os elétrons que passam pelo metal kagome Fe3Sn2 são influenciados pela proximidade de uma banda plana (mostrada pela reflexão da bola superior em uma superfície plana). Isto faz com que a carga eletrônica seja fracionada ou dividida (mostrada aqui pela aparência da bola inferior). Os pesquisadores observaram agora esse efeito espectroscopicamente. Crédito: Instituto Paul Scherrer / Sandy Ekahana

A mecânica quântica diz-nos que a unidade fundamental de carga é inquebrável – mas existem excepções.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Instituto Paul Scherrer observou espectroscopicamente o fracionamento da carga eletrônica em um ferromagneto metálico à base de ferro. A observação experimental do fenômeno não é apenas de fundamental importância. Como aparece em um Liga de metais comuns em temperaturas acessíveis, possui potencial para exploração futura em dispositivos eletrônicos. A descoberta foi publicada na revista Natureza.

A mecânica quântica básica nos diz que a unidade fundamental de carga é inquebrável: a carga do elétron é quantizada. No entanto, entendemos que existem exceções. Em algumas situações, os elétrons se organizam coletivamente como se estivessem divididos em entidades independentes, cada uma possuindo uma fração da carga.

O fato de a carga poder ser fracionada não é novo: tem sido observado experimentalmente desde o final da década de 1980 com o Efeito Hall Quântico Fracionário. Neste, observa-se que a condutância de um sistema no qual os elétrons estão confinados a um plano bidimensional é quantizada em unidades de carga fracionárias – em vez de inteiras.

O Efeito Hall fornece uma medida indireta de fracionamento de carga, através de uma manifestação macroscópica do fenômeno: a tensão. Como tal, não revela o comportamento microscópico – a dinâmica – das cargas fracionárias. A equipe de pesquisa, uma colaboração entre instituições da Suíça e da China, revelou agora essa dinâmica por meio da espectroscopia de elétrons emitidos por um ferromagneto quando iluminado por um laser.

Empurrando os elétrons para um comportamento estranho

Para fracionar cargas, você precisa levar os elétrons para um lugar estranho, onde eles param de seguir as regras normais. Em metais convencionais, os elétrons normalmente se movem através do material, geralmente ignorando uns aos outros, exceto por choques ocasionais. Eles possuem uma gama de energias diferentes. Os níveis de energia em que se encontram são descritos como “bandas dispersivas”, onde a energia cinética dos elétrons depende de seus momentos.

Em alguns materiais, certas condições extremas podem levar os elétrons a interagir e a se comportar coletivamente. Bandas planas são regiões na estrutura eletrônica de um material onde todos os elétrons estão no mesmo estado de energia, ou seja onde eles têm massas efetivas quase infinitas. Aqui, os elétrons são pesados demais para escapar uns dos outros e reinam fortes interações entre os elétrons. Raras e procuradas, as bandas planas podem levar a fenômenos que incluem formas exóticas de magnetismo ou fases topológicas, como estados Hall quânticos fracionários.

Para observar o Efeito Hall Quântico Fracionário, são aplicados campos magnéticos fortes e temperaturas muito baixas, que suprimem a energia cinética dos elétrons e promovem fortes interações e comportamento coletivo.

A equipe de pesquisa poderia conseguir isso de uma maneira diferente, sem a aplicação de um forte campo magnético: criando uma estrutura de rede que reduza as energias cinéticas dos elétrons e permita que eles interajam. Essa rede é a esteira “kagome” de bambu tecido japonês, que caracteriza camadas atômicas em um número surpreendentemente grande de compostos químicos. Eles fizeram sua descoberta em Fé₃Sn₂um composto que consiste apenas nos elementos comuns ferro (Fe) e estanho (Sn) montados de acordo com o padrão kagome de triângulos de compartilhamento de cantos.

Laser ARPES permite uma visão mais detalhada

Os pesquisadores não se propuseram a observar o fracionamento de carga em Kagome Fe₃Sn₂. Em vez disso, eles estavam simplesmente interessados em verificar se existiam bandas planas conforme previsto para este material ferromagnético.

Usando espectroscopia de fotoemissão resolvida com ângulo de laser (laser ARPES) na Universidade de Genebra com um diâmetro de feixe muito pequeno, eles puderam sondar a estrutura eletrônica local do material em uma resolução sem precedentes.

“A estrutura da banda em Kagome Fe₃Sn₂ é diferente dependendo de qual domínio ferromagnético você está sondando. Estávamos interessados em ver se, usando o feixe microfocado, poderíamos detectar heterogeneidades na estrutura eletrônica correlacionadas a domínios que haviam sido perdidos anteriormente”, diz Sandy Ekahana, pós-doutorado no grupo de Tecnologia Quântica da PSI e primeiro autor do estudar.

Bolsões de elétrons e bandas de colisão

Concentrando-se em certos domínios cristalinos, a equipe identificou uma característica conhecida como bolsas de elétrons. Estas são regiões no espaço de momentos da estrutura da banda eletrônica de um material onde a energia dos elétrons é mínima, formando efetivamente bolsões onde os elétrons “ficam para fora”. Aqui, os elétrons se comportam como excitações coletivas, ou quasipartículas.

Ao examiná-los de perto, os pesquisadores detectaram características estranhas na estrutura da banda eletrônica que não foram totalmente explicadas pela teoria. As medições do laser ARPES revelaram uma banda dispersiva, que não correspondia aos cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT) – um dos métodos mais estabelecidos para estudar interações e comportamentos de elétrons em materiais. “Muitas vezes acontece que o DFT não corresponde exatamente. Mas apenas do ponto de vista experimental, essa banda era extremamente peculiar. Foi extremamente nítido, mas de repente foi cortado. Isto não é normal – geralmente as bandas são contínuas”, explica Yona Soh, cientista do PSI e autora correspondente do estudo.

Os pesquisadores perceberam que estavam observando uma banda dispersiva interagindo com uma banda plana, prevista por colegas da EPFL. A observação de uma banda plana interagindo com uma banda dispersiva é em si de profundo interesse: acredita-se que a interação entre bandas planas e dispersivas permite o surgimento de novas fases da matéria, como metais “marginais”, onde os elétrons não viajam muito mais longe do que seu comprimento de onda quântico e supercondutores peculiares.

“Tem havido muita discussão teórica sobre a interação entre bandas planas e dispersivas, mas esta é a primeira vez que uma nova banda causada por esta interação foi descoberta espectroscopicamente”, diz Soh.

O comportamento estranho dos elétrons fica ainda mais estranho: fracionamento da carga

As consequências desta observação são ainda mais profundas. Onde as duas bandas se encontram, elas se hibridizam para formar uma nova banda. A banda dispersiva original está ocupada. A banda plana está desocupada porque está acima do nível de Fermi – um conceito que descreve o corte entre os níveis de energia ocupados e desocupados. Quando a nova banda é criada, a carga é dividida entre a banda dispersiva original e a nova banda. Isto significa que cada banda contém apenas uma fração da carga.

Desta forma, as medições de Ekahana e colegas fornecem observação espectroscópica direta do fracionamento de carga.