O cristal de Wigner bloqueia os elétrons em posições estáveis apenas quando duas folhas de elétrons assumem uma geometria triangular específica.
Em 1934, Eugene Wigner, um pioneiro da mecânica quântica, teorizou um tipo estranho de matéria – um cristal feito de elétrons. A ideia era simples; provando que não era. Os físicos tentaram muitos truques ao longo de oito décadas para empurrar os elétrons para a formação dos chamados cristais de Wigner, com sucesso limitado. Em junho, no entanto, dois grupos independentes de físicos relataram na Nature as observações experimentais mais diretas de cristais de Wigner até então.
“A cristalização de Wigner é uma ideia muito antiga”, disse Brian Skinner, um físico da Ohio State University que não esteve envolvido com o trabalho. “Ver tudo tão limpo foi muito bom.”
Para fazer os elétrons formarem um cristal de Wigner, pode parecer que um físico simplesmente teria que resfriá-los. Os elétrons se repelem, e assim o resfriamento diminuiria sua energia e os congelaria em uma rede, assim como a água se transforma em gelo. No entanto, os elétrons frios obedecem às estranhas leis da mecânica quântica – eles se comportam como ondas. Em vez de se fixarem em uma grade ordenada, os elétrons em forma de onda tendem a se espalhar e colidir com seus vizinhos. O que deveria ser um cristal se transforma em algo mais parecido com uma poça.
Uma das equipes responsáveis pelo novo trabalho encontrou um cristal Wigner quase por acidente. Pesquisadores em um grupo liderado por Hongkun Park na Universidade de Harvard estavam experimentando o comportamento do elétron em um “sanduíche” de folhas excepcionalmente finas de um semicondutor separadas por um material através do qual os elétrons não podiam se mover. Os físicos resfriaram esse sanduíche semicondutor para menos de -230 graus Celsius e brincaram com o número de elétrons em cada uma das camadas.
A equipe observou que, quando havia um número específico de elétrons em cada camada, todos eles permaneciam misteriosamente parados. “De alguma forma, os elétrons dentro dos semicondutores não podiam se mover. Esta foi uma descoberta realmente surpreendente”, disse You Zhou, principal autor do novo estudo.
Zhou compartilhou seus resultados com colegas teóricos, que eventualmente se lembraram de uma velha ideia de Wigner. Wigner calculou que os elétrons em um material bidimensional plano assumiriam um padrão semelhante a um piso perfeitamente coberto por ladrilhos triangulares. Este cristal impediria os elétrons de se moverem inteiramente.
No cristal de Zhou, as forças repulsivas entre os elétrons em cada camada e entre as camadas trabalharam juntas para organizar os elétrons na grade triangular de Wigner. Essas forças eram fortes o suficiente para evitar o derramamento e o derramamento de elétrons previstos pela mecânica quântica. Mas esse comportamento acontecia apenas quando o número de elétrons em cada camada era tal que as grades de cristal superior e inferior se alinhavam: triângulos menores em uma camada tinham que preencher exatamente o espaço dentro dos maiores na outra. Park chamou as taxas de elétrons que levaram a essas condições de “sinais reveladores dos cristais de Wigner de duas camadas”.
Depois que perceberam que tinham um cristal Wigner em suas mãos, a equipe de Harvard o derreteu, forçando os elétrons a abraçar sua natureza de onda quântica. O derretimento do cristal de Wigner é uma transição de fase quântica – semelhante a um cubo de gelo se transformando em água, mas sem nenhum aquecimento envolvido. Os teóricos previram previamente as condições necessárias para que o processo ocorresse, mas o novo experimento é o primeiro a confirmá-lo por meio de medições diretas. “Foi muito, muito empolgante ver o que realmente aprendemos com os livros e artigos sobre dados experimentais”, disse Park.
Experimentos anteriores encontraram indícios de cristalização de Wigner, mas os novos estudos oferecem a evidência mais direta por causa de uma nova técnica experimental. Os pesquisadores explodiram as camadas semicondutoras com luz laser para criar uma entidade semelhante a uma partícula chamada exciton. O material então refletiria ou reemitiria essa luz. Ao analisar a luz, os pesquisadores puderam dizer se os excitons interagiram com elétrons normais de fluxo livre ou com elétrons congelados em um cristal de Wigner. “Na verdade, temos evidências diretas de um cristal Wigner”, disse Park. “Você pode realmente ver que é um cristal que tem essa estrutura triangular.”
A segunda equipe de pesquisa, liderada por Ataç Imamo?lu do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique, também usou essa técnica para observar a formação de um cristal de Wigner.
O novo trabalho ilumina o problema infame de muitos elétrons interagindo. Quando você coloca muitos elétrons em um espaço pequeno, todos eles se empurram e se torna impossível acompanhar todas as forças mutuamente interligadas.
Philip Phillips, físico da Universidade de Illinois, Urbana-Champaign, que não esteve envolvido no experimento, descreveu os cristais de Wigner como um arquétipo de todos esses sistemas. Ele observou que o único problema envolvendo elétrons e forças elétricas que os físicos sabem resolver apenas com papel e caneta é o de um único elétron no átomo de hidrogênio. Em átomos com até mesmo mais um elétron, o problema de prever o que os elétrons em interação farão se torna intratável. O problema de muitos elétrons interagindo há muito é considerado um dos mais difíceis da física.
No futuro, a equipe de Harvard planeja usar seu sistema para responder a perguntas pendentes sobre os cristais de Wigner e elétrons fortemente correlacionados. Uma questão em aberto é o que acontece, exatamente, quando o cristal de Wigner derrete; abundam as teorias concorrentes. Além disso, a equipe observou cristais de Wigner em seu sanduíche semicondutor em temperaturas mais altas e por um número maior de elétrons do que os teóricos previram. Investigar por que esse era o caso poderia levar a novos insights sobre o comportamento do elétron fortemente correlacionado.
Eugene Demler, um teórico de Harvard que contribuiu para os dois novos estudos, acredita que o trabalho resolverá antigos debates teóricos e inspirará novas questões. “É sempre muito mais fácil trabalhar em um problema quando você pode procurar as respostas no final de um livro”, disse ele. “E fazer experiências extras é como procurar a resposta.”
Publicado em 15/08/2021 22h51
Artigo original:
Artigo relacionado: