Como crianças inquietas posando para um retrato de família, os elétrons não ficam parados por tempo suficiente para permanecer em qualquer tipo de arranjo fixo.
Os pesquisadores da Cornell empilharam semicondutores bidimensionais para criar uma estrutura de super-rede moiré que captura os elétrons em um padrão repetitivo, formando, em última análise, o cristal de Wigner, que é a longa hipótese.
Agora, uma colaboração liderada por Cornell desenvolveu uma maneira de empilhar semicondutores bidimensionais e prender elétrons em um padrão repetitivo que forma um cristal específico e hipotético longo.
O artigo da equipe, “Correlated Insulating States at Fractional Fillings of Moiré Superlattices”, publicado em 11 de novembro na Nature. O autor principal do artigo é o pesquisador de pós-doutorado Yang Xu.
O projeto surgiu do laboratório compartilhado de Kin Fai Mak, professor associado de física na Faculdade de Artes e Ciências, e Jie Shan, professor de física aplicada e de engenharia na Faculdade de Engenharia, os co-autores seniores do artigo. Ambos os pesquisadores são membros do Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science; eles vieram para Cornell por meio da iniciativa do reitor em Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano).
Um cristal de elétrons foi previsto pela primeira vez em 1934 pelo físico teórico Eugene Wigner. Ele propôs que, quando a repulsão resultante de elétrons carregados negativamente – chamada de repulsão de Coulomb – dominar a energia cinética dos elétrons, um cristal se formaria. Os cientistas tentaram vários métodos para suprimir essa energia cinética, como colocar elétrons sob um campo magnético extremamente grande, cerca de um milhão de vezes o do campo magnético da Terra. A cristalização completa permanece indefinida, mas a equipe de Cornell descobriu um novo método para alcançá-la.
“Os elétrons são mecânicos quânticos. Mesmo que você não faça nada com eles, eles estão se mexendo espontaneamente o tempo todo”, disse Mak. “Um cristal de elétrons teria realmente a tendência de derreter porque é muito difícil manter os elétrons fixos em um padrão periódico.”
Portanto, a solução dos pesquisadores foi construir uma armadilha real empilhando duas monocamadas de semicondutor, dissulfeto de tungstênio (WS2) e disseleneto de tungstênio (WSe2), cultivadas por parceiros da Universidade de Columbia. Cada monocamada tem uma constante de rede ligeiramente diferente. Quando emparelhados, eles criam uma estrutura de superrede moiré, que essencialmente se parece com uma grade hexagonal. Os pesquisadores então colocaram elétrons em locais específicos do padrão. Como eles descobriram em um projeto anterior, a barreira de energia entre os locais bloqueia os elétrons no lugar.
“Podemos controlar a ocupação média dos elétrons em um determinado local moiré”, disse Mak.
Dado o intrincado padrão de uma superrede moiré, combinado com a natureza instável dos elétrons e a necessidade de colocá-los em um arranjo muito específico, os pesquisadores recorreram a Veit Elser, professor de física e co-autor do artigo, que calculou o razão de ocupação pela qual diferentes arranjos de elétrons se autocristalizarão.
No entanto, o desafio dos cristais de Wigner não é apenas criá-los, mas observá-los também.
“Você precisa atingir as condições certas para criar um cristal de elétrons e, ao mesmo tempo, eles também são frágeis”, disse Mak. “Você precisa de uma boa maneira de sondá-los. Você realmente não quer perturbá-los significativamente ao sondá-los.”
A equipe desenvolveu uma nova técnica de sensoriamento óptico em que um sensor óptico é colocado perto da amostra, e toda a estrutura é imprensada entre camadas isolantes de nitreto de boro hexagonal, criado por colaboradores do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão. Como o sensor está separado da amostra por cerca de dois nanômetros, ele não perturba o sistema.
A nova técnica permitiu que a equipe observasse inúmeros cristais de elétrons com diferentes simetrias de cristal, desde cristais de Wigner com estrutura triangular até cristais que se auto-alinham em listras e dímeros. Ao fazer isso, a equipe demonstrou como ingredientes muito simples podem formar padrões complexos – desde que os ingredientes fiquem parados por tempo suficiente.
Publicado em 12/11/2020 11h58
Artigo original:
Estudo original:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: