Equipe do CBPF publica artigo sobre fônons que ganha destaque no PRL

A pós-doutoranda Valentina Martelli e os pesquisadores titulares Elisa Baggio Saitovitch e Mucio Continentino, os três do CBPF, publicaram, em coautoria com Julio Larrea e Kamran Behnia, artigo que ganhou ‘Destaque do Editor’, em Physical Review Letters , da Sociedade Norte-americana de Física, uma das mais importantes revistas científicas da área. O comentário a seguir foi feito a convite do Núcleo de Comunicação Social do CBPF.

Desde a década de 1960, as fascinantes propriedades físicas do titanato de estrôncio (SrTiO ₃ ) vêm sendo estudadas e reveladas. Por conta delas, esse material isolante ‒ cuja versão sintética é usualmente transparente e incolor ‒ tem sido usado em diversas aplicações. Uma das mais convencionais é servir de substrato (‘base de apoio’) para a fabricação de filmes finos, cuja espessura é da ordem de poucas camadas atômicas.

Apesar de isolante, o SrTiO ₃ pode se tornar um supercondutor – material que conduz eletricidade sem dissipar calor ‒ com certa facilidade: basta acrescentar à sua composição novos elementos químicos (no jargão da física, dopantes) em nível bem baixo.

Embora as propriedades elétricas desse titanato tenham sido amplamente investigadas, aquelas relativas à condução de calor (térmicas) permaneceram relativamente inexploradas. Esse foi o foco central de nosso estudo, no qual investigamos o transporte térmico tanto do SrTiO ₃ ‘puro’ (cristal perfeito) quanto de amostras levemente dopadas com nióbio (Nb).

Cristal sintético puro de SrTiO ₃ (esq.); estrutura do SrTiO ₃ : oxigênio, titânio e estrôncio

(Crédito: Divulgação/Martelli et al)

Para isso, submetemos as amostras (cristalinas e dopadas) a temperaturas que variaram de 2 K (cerca de 270 celsius negativos) a 400 K (cerca de 127 graus celsius).

Os resultados desse trabalho ‒ fruto da colaboração de experimentais e teóricos ‒ foi publicado em Physical Review Letters , em artigo com o título ‘Thermal transport and phonon hydrodynamics in strontium titanate’ [Transporte térmico e hidrodinâmica de fônons no titanato de estrôncio].

O artigo é assinado por Valentina Martelli, pós-doutoranda no CBPF (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ); Julio Larrea Jiménez, Jovem Talento do programa ‘Ciência Sem Fronteiras’ e, agora, professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo; Elisa Baggio Saitovitch e Mucio Continentino, ambos pesquisadores titulares do CBPF; e Kamran Behnia, da ESPCI (Paris, França) e da Universidade de Colônia (Alemanha), que esteve no CBPF como pesquisador visitante da Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Ciência do Estado do Rio de Janeiro (Faperj).

As medidas foram feitas no Laboratório Interinstitucional de Medidas Magnéticas e de Transporte, estabelecido no CBPF com recursos de projetos coordenados por Elisa Baggio Saitovitch, aprovados pela Faperj, cujo apoio adicional a esse trabalho se deu por meio de bolsas do Programa Pós-doutorado Nota 10 (VM), pesquisador visitante (KB) e pesquisadora emérita (EBS).

Resultado mais notável

Em cristais perfeitos isolantes, os fônons são os únicos carregadores de calor (energia térmica), pois o material não têm elétrons livres (como nos metais) para fazer esse transporte. Sabe-se também que, a temperaturas baixíssimas (próximas do zero absoluto), a condutividade térmica nesses cristais varia com o cubo da temperatura (T ³ ) ‒ portanto, um aumento mínimo da temperatura causa uma elevação significativa na capacidade de conduzir calor. Nos cristais isolantes convencionais, a variação com o cubo da temperatura a baixas temperatura é seguida da uma lei de potência mais baixa do que T ³ .

No entanto, em nossos experimentos, pudemos observar que o cristal de SrTiO ₃ , depois de apresentar uma dependência convencional com T ³ em baixas temperaturas , tem uma dependência levemente maior do que T ³ no regime de temperaturas intermediárias. Nesse regime, a condutividade térmica se comporta como se tivesse um canal ‘adicional’ para conduzir o calor de forma mais eficiente.

A explicação para essa eficiência térmica superior está no fato de que, no SrTiO ₃ , os fônons se comportam como um ‘fluido em movimento’ ‒ e esse foi o mais notável de nossos resultados. Essa característica faz com que os fônons interajam entre si de ‘modo organizado’, conservando o que no jargão da física se denomina momento.

Porém, em outros cristais perfeitos a condução térmica não é tão organizada. As ondas de calor se propagam de modo difuso, com direções aleatórias, lembrando o modo como o calor se espalha desorganizadamente por uma placa de metal, por exemplo.

Comportamento dos fônons

(Crédito: Divulgação)

O fluxo de Poiseuille ‒ nome dado ao fenômeno que compara fônons a líquidos em movimento ‒ não é um efeito novo, mas, até agora, só havia sido observado em poucos materiais, e sua observação esteve sempre associada ao alto grau de pureza das amostras.

Outras novidades

Nossos resultados revelaram outras duas novidades. A primeira delas foi o fato de termos mostrado que na presença de um dopante (no caso, nióbio, doador de elétrons) no SrTiO ₃ ‒ em quantidade suficientemente baixa, para garantir o não aparecimento de supercondutividade ‒, a condutividade térmica fica reduzida drasticamente.

Foi possível concluir, depois de um estudo meticuloso, em várias amostras, que a redução não depende dos elétrons, mas da desordem induzida pela presença de outros elementos na rede cristalina. Esse resultado também tem um impacto potencial para a engenharia dos materiais termoelétricos, na qual é relevante entender o papel da rede cristalina, dos elétrons, da desordem e das interações entre eles.

A outra novidade se refere ao fato de que, em altas temperaturas (por exemplo, perto da temperatura ambiente), a condutividade térmica é completamente independente do que acontece em baixas temperaturas. Comparando a condutividade com o calor especifico do SrTiO ₃ e de outros materiais, pudemos observar um comportamento que depende apenas da temperatura ‒ e deixamos aberta a pergunta de que isso possa ser um possível comportamento universal dos cristais.

Tecnologia sustentável

Nosso trabalho pode afetar significativamente outro campo de investigação. Recentemente, a hidrodinâmica dos fônons despertou interesse renovado na comunidade científica, por conta de seus possíveis desdobramentos para a área que estuda características dessas vibrações em materiais termoelétricos em duas dimensões ‒ um exemplo emblemático é o grafeno, formado por uma única camada do elemento químico carbono.

Esses materiais bidimensionais poderiam apresentar transporte térmico hidrodinâmico em temperatura ambiente, graças à sua reduzida dimensão. Isso, talvez, permita seu uso para a manipulação de carregadores de calor e a fabricação de dispositivos termoelétricos ‒ afinal, a busca por tecnologias sustentáveis para a produção de energia limpa é, em última análise, um dos mais complexos desafios de nosso tempo.

Valentina Martelli

Pós-doutoranda

CBPF

Elisa Baggio Saitovitch

Pesquisadora titular colaboradora (aposentada)

CBPF

Mucio Continentino

Pesquisador titular

CBPF

Mais informações:

‘Thermal Transport and Phonon Hydrodynamics in Strontium Titanate’. V. Martelli, J. Larrea Jiménez, M. Continentino, E. Baggio-Saitovitch, and K. Behnia, Phys. Rev. Lett . 120, 125901 ‒ 22 March 2018: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.125901