Cristal tem memória das temperaturas a que foi submetido
Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/02/2022
Na histerese, é como se o caminho de subir a montanha fosse sempre diferente do caminho de descer a montanha - e ambos com distâncias diferentes.
[Imagem: Xinyue Lu]
Quando sua temperatura muda, muitos materiais sofrem uma transição de fase, como água líquida passando para gelo ou um metal se tornando um supercondutor.
Algumas vezes, essa mudança de fase é acompanhada por um comportamento chamado ciclo de histerese, quando as temperaturas de transição de fase são diferentes dependendo se o material está se resfriando ou se aquecendo.
Agora, Baiqing Lyu e uma grande equipe multi-institucional descobriram uma transição histerética incomum, na qual a histerese cobre uma faixa de temperatura gigantesca, de mais de 126 ºC (400 kelvins), um grande intervalo térmico que quebra o recorde entre os sólidos cristalinos e, mais importante, abre o espaço para a exploração tecnológica do fenômeno.
Dependente da história
O fenômeno foi descoberto em uma liga dos elementos telúrio e európio (EuTe4), um material lamelar - estruturado em forma de camadas -, o que também pode facilitar sua conexão a materiais bidimensionais, como o grafeno ou a molibdenita.
"A histerese é uma resposta dependente da história de um sistema quando submetido a uma perturbação externa. Este fenômeno é onipresente na física, biologia e até mesmo na economia. Na matéria condensada, ela forma o pilar das tecnologias modernas que vão desde dispositivos de memória até polímeros funcionais," explica a equipe.
A expectativa é que os muitos estados metaestáveis dentro do ciclo de histerese gigantesco descoberto agora ofereçam amplas possibilidades para se controlar com precisão as propriedades elétricas do material, que pode encontrar aplicação em transistores de próxima geração e em células de memória não-volátil, um tipo de memória de computador que retém dados quando desligado.
O material lamelar bateu largamente o recorde de histerese.
[Imagem: B. Q. Lv et al. - 10.1103/PhysRevLett.128.036401]
Um efeito de grande interesse do comportamento histerético está na resistência elétrica do material: Ao resfriar ou aquecer cristais de EuTe4, os pesquisadores conseguiram variar sua resistividade elétrica em várias ordens de magnitude (10x).
"O valor da resistividade a uma determinada temperatura, digamos à temperatura ambiente, depende se o cristal costumava ser mais frio ou mais quente," explicou o professor Alfred Zong. "Esta observação nos indica que 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 gravador permanente de temperatura. Por exemplo, medindo a resistência elétrica do EuTe4 a temperatura ambiente, sabemos imediatamente qual é a temperatura mais fria ou mais quente que o material experimentou no passado.
Rumo às aplicações práticas, o próximo passo será conceber maneiras - além de mudar a temperatura - para induzir esses estados metaestáveis no material. Isso permitirá manipular suas propriedades elétricas de maneiras tecnologicamente úteis, avalia a equipe.
Como a equipe descreveu, a histerese é um fenômeno em que a resposta de um material a uma perturbação, como uma mudança de temperatura, depende da história do material. Uma histerese indica que o sistema está preso em algum mínimo local, mas não a um mínimo global no cenário de energia.
Nos sólidos cristalinos, caracterizados por um padrão periódico dos átomos que se estende por todo o cristal, a histerese ocorre tipicamente em uma faixa de temperatura bastante estreita, de alguns a dezenas de graus na maioria dos casos.
"No EuTe4, encontramos uma faixa de temperatura extremamente ampla para a histerese, acima de 400 kelvins", disse Lyu. "O número real pode ser muito maior, já que esse valor está limitado pelas capacidades das técnicas experimentais atuais."
Artigo: Unconventional Hysteretic Transition in a Charge Density Wave
Autores: B. Q. Lv, Alfred Zong, D. Wu, A. V. Rozhkov, Boris V. Fine, Su-Di Chen, Makoto Hashimoto, Dong-Hui Lu, M. Li, Y.-B. Huang, Jacob P. C. Ruff, Donald A. Walko, Z. H. Chen, Inhui Hwang, Yifan Su, Xiaozhe Shen, Xirui Wang, Fei Han, Hoi Chun Po, Yao Wang, Pablo Jarillo-Herrero, Xijie Wang, Hua Zhou, Cheng-Jun Sun, Haidan Wen, Zhi-Xun Shen, N. L. Wang, Nuh Gedik