Nos materiais quânticos, a ordem eletrônica raramente se desenvolve de maneira suave e uniforme. Em vez disso, manifesta-se frequentemente em padrões complexos que variam de região para região. Um exemplo bem conhecido são as ondas de densidade de carga (CDWs), um estado no qual os elétrons se organizam em padrões repetidos em baixas temperaturas. Embora os CDWs tenham sido estudados há muitos anos, os pesquisadores têm lutado para observar diretamente como sua intensidade e coerência espacial mudam durante as transições de fase.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Yongsoo Yang do Departamento de Física do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST), trabalhando com os professores SungBin Lee, Heejun Yang e Yeongkwan Kim, bem como colaboradores da Universidade de Stanford, alcançou agora um grande avanço. Pela primeira vez, eles visualizaram diretamente como a amplitude da sequência de ondas de densidade de carga evolui no espaço dentro do material quântico.
Nanoimagem revela padrões de elétrons não homogêneos
Para conseguir isso, os pesquisadores usaram microscopia eletrônica resfriada com hélio líquido e microscopia eletrônica de transmissão de varredura quadridimensional (4D-STEM). Essa configuração avançada permitiu rastrear como o pedido de CDW se forma, enfraquece e se decompõe conforme a temperatura muda. Além disso, foram capazes de criar mapas detalhados em nanoescala que mostravam não apenas se a ordem eletrónica estava presente, mas também quão forte ela era e como se conectava em diferentes áreas.
Este processo pode ser comparado à observação da formação de cristais de gelo quando a água congela e é capturado com uma ampliação extremamente elevada. Neste caso, porém, a equipe observou os elétrons se alinhando em temperaturas próximas a -253°C. Seus microscópios podem resolver estruturas tão pequenas quanto um décimo da largura de um fio de cabelo humano. As imagens mostram que os pedidos eletrônicos não são distribuídos de maneira uniforme. Algumas áreas mostraram padrões claros e bem definidos, enquanto áreas próximas não mostraram nenhum padrão, como um lago onde o gelo se formou em manchas dispersas, em vez de cobrir toda a superfície de uma só vez.
O estresse e o colapso dos pedidos eletrônicos
O estudo também descobriu que estes padrões irregulares estão intimamente relacionados com pequenas distorções dentro do cristal. Mesmo pequenas quantidades de deformação (pequenas demais para serem detectadas pelos métodos ópticos tradicionais) são suficientes para enfraquecer significativamente a amplitude do CDW. Esta estreita conexão entre deformação e ordem eletrônica fornece evidência direta de que a distorção sutil da rede desempenha um papel crucial na formação desses padrões.
Outro resultado surpreendente foi a descoberta de que pequenas quantidades de ordem CDW podem persistir mesmo acima da temperatura de transição, onde a ordem de longo alcance geralmente desaparece. Estas áreas isoladas demonstram que a transformação não é um processo simples e uniforme. A ordem electrónica não desaparece de uma só vez, mas perde gradualmente a sua coerência espacial.
Medindo como os pedidos eletrônicos desaparecem
A principal conquista deste trabalho é a primeira medição direta da correlação das amplitudes do CDW. Ao examinar como a força da ordem electrónica num local se relaciona com a força da ordem electrónica noutro local, os investigadores mostraram como a coerência pode ser quebrada ao longo da transição enquanto as amplitudes locais permanecem. Este nível de detalhe não é possível usando técnicas tradicionais de difração ou sonda de varredura.
Uma nova estrutura para a compreensão de materiais quânticos
Ondas de densidade de carga são uma característica fundamental de muitos materiais quânticos e frequentemente interagem com outros estados eletrônicos. Ao mapear diretamente sua estrutura espacial e correlações, este estudo fornece uma nova abordagem experimental para compreender como a ordem eletrônica coletiva se forma e evolui em sistemas reais.
Yongsoo Yang enfatiza a importância desta descoberta: “Até agora, a coerência espacial das ondas de densidade de carga foi amplamente inferida indiretamente. Nosso método nos permite visualizar diretamente como a ordem dos elétrons muda com o espaço e a temperatura e identificar fatores que a estabilizam ou inibem localmente.”
O estudo, com Seokjo Hong, Jaewhan Oh e Jemin Park do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia como co-autores, foi publicado em Cartas de revisão física.
Esta pesquisa foi apoiada principalmente por doações da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF), financiada pelo governo coreano (MSIT) (Projeto de Pesquisa Básica Individual, Projeto de Laboratório de Pesquisa Básica, Projeto de Desenvolvimento de Tecnologia de Nanomateriais).
Os autores agradecem a E.-G. Moon para discussões úteis. Esta pesquisa foi apoiada principalmente por doações da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF) (RS-2023-00208179 e RS-2025-02243032) financiadas pelo governo coreano (MSIT). YY também agradece ao Programa KAIST Singularity Professor pelo seu apoio. SBL é apoiado pela subvenção NRF (2021R1A2C109306013) e pelo Programa de Desenvolvimento de Tecnologia de Nanomateriais (NRF financiado através do MSIT) (RS-2023-00281839). YK recebeu apoio financeiro de NRF Grants (No. RS-2022-00143178 e RS-2024-00345856) e do Instituto Coreano de Padrões e Ciência (KRISS) (Grant No. KRISS-GP2025-0015). HY é apoiado pela concessão NRF número RS-2024-00340377 financiada pelo MSIT. Experimentos 4D-STEM, ADF-STEM e EELS foram realizados usando equipamentos Titan Cube G2 60-300 (FEI) e Spectra Ultra (ThermoFisher) corrigidos por Cs duplos no KAIST Center for Analytical Research (KARA). Obrigado a Hyung Bin Bae, Jin-Seok Choi e equipe do KARA pelo grande apoio. Declaramos que os autores utilizam o ChatGPT apenas para fins de edição de linguagem e que os textos originais do manuscrito foram escritos por autores humanos, e não por inteligência artificial.
