Esta estranha nova fase da matéria pode transformar a tecnologia quântica

Obras publicadas ciênciaCaptura um estado estrutural intermediário que aparece durante uma transição entre duas estruturas cristalinas comuns encontradas em metais. Além de revelar novos detalhes sobre como essas transições ocorrem, o material recém-criado exibe um comportamento óptico incomum que poderá eventualmente ser útil para a computação quântica e outras tecnologias de informação quântica.

De forma mais ampla, a pesquisa demonstra uma nova técnica para projetar materiais de baixo para cima, reunindo nanopartículas especialmente projetadas em estruturas inteiramente novas com propriedades personalizadas.

“Nosso trabalho é um pouco como crianças brincando com blocos de Lego”, disse Ou Chen, professor associado de química na Brown e autor correspondente do estudo. “Sintetizamos blocos de construção únicos em nanoescala e os empilhamos em estruturas interessantes. Neste caso, fomos capazes de estabilizar essas estruturas teóricas de transição e exibir importantes propriedades ópticas quânticas.”

Capturando uma etapa que faltava na transformação do cristal

Muitos metais organizam naturalmente seus átomos em um dos dois arranjos cristalinos conhecidos como cúbico de face centrada (FCC) e cúbico de corpo centrado (BCC).

Numa estrutura FCC, as partículas são compactadas o mais firmemente possível. Eles ocupam cada canto e também o centro de cada face de um cubo. Uma estrutura CCC é ligeiramente menos compactada, com partículas localizadas nos cantos do cubo e uma única partícula no centro do cubo.

Alguns metais podem mudar entre esses sistemas quando aquecidos. O ferro, por exemplo, muda de uma estrutura CCC para uma estrutura FCC a 912 °C.

Os cientistas propuseram várias explicações sobre como ocorre essa transformação. Um modelo líder, conhecido como via Nishiyama-Wasserman, prevê uma série de estruturas intermediárias de curta duração que se formam durante a transição. Como essas fases intermediárias são altamente instáveis, são extremamente difíceis de observar diretamente.

Esta nova pesquisa conseguiu recriar e estabilizar esses estados estruturais transitórios usando nanopartículas de prata.

“Os cientistas de materiais há muito se preocupam em como controlar a quantidade de FCC e BCC em seus metais, mas as transições entre essas fases são difíceis de estudar porque são muito instáveis”, disse Tim Moore, coautor do estudo e cientista assistente de pesquisa que trabalha no laboratório de Sharon Glotzer na Universidade de Michigan. “Ser capaz de observar essas estruturas é um avanço fundamental na ciência dos materiais e nos dá maior controle sobre a engenharia de nanomateriais”.

Criação de novos materiais a partir de nanopartículas personalizadas

Para criar a nova estrutura, os pesquisadores sintetizaram nanopartículas de prata, que chamaram de “mecon”. Essas partículas têm formato semelhante a um diamante com os cantos cortados, criando uma geometria de 14 lados.

Segundo Chen, a forma é particularmente eficaz porque fica entre uma esfera e um cubo, duas formas que se combinam naturalmente de maneiras diferentes.

A equipe, liderada por Yasutaka Nagaoka, pesquisador sênior e principal autor do estudo, ajustou as condições de aquecimento durante a síntese para criar mecon com vários graus de características circulares e cúbicas. Eles então revestiram as partículas com longas cadeias moleculares que agem como conectores pegajosos e permitiram que elas se reunissem em estruturas maiores e ordenadas, conhecidas como superredes de nanopartículas.

Combinando observações laboratoriais com simulações computacionais detalhadas realizadas em colaboração com o grupo de Glotzer na Universidade de Michigan, os pesquisadores descobriram que esses revestimentos moleculares desempenharam um papel importante na estabilização de sistemas que correspondiam às estruturas de transição previstas pela via Nishiyama-Wasserman.

“Você pode imaginá-los como partículas peludas”, disse Moore. “Os fios de cabelo são flexíveis o suficiente para que as partículas tenham mais liberdade de movimento, mas se encaixam perfeitamente, o que permite que as partículas se unam”.

Efeito óptico quântico à temperatura ambiente

As superredes de prata recém-sintetizadas exibiram outra propriedade notável quando expostas à luz.

Os pesquisadores viram sinais de acoplamento luz-matéria de energia profunda, um fenômeno em que os elétrons dentro das nanopartículas de prata oscilam em perfeita sincronia com as ondas de luz e ficam presos mecanicamente quântica.

Esses efeitos ópticos quânticos estão frequentemente associados a temperaturas extremamente baixas. No entanto, o novo material parece apresentar este comportamento à temperatura ambiente.

A descoberta poderia fornecer uma base para o desenvolvimento de futuros materiais utilizados na computação quântica, tecnologia de detecção e outros sistemas quânticos avançados.

“Sempre que você conseguir identificar uma nova fase da matéria, novas aplicações surgirão”, disse Chen.

A pesquisa foi apoiada por vários subsídios da National Science Foundation (DMR-1943930, CHE-2203700, EAR−2223273, CBET-2230729, CBET-2230891, 2243104, DMR 140129, 9285,213828, DMR 2138307). 2137603, 2138296) e Departamento de Energia (DE-SC0012704, DOE-NNSA, DE-NA-0003975).