doi.org/10.1038/s41567-024-02552-7
Credibilidade: 999
#Atomic
Sebastian Loth e sua equipe capturaram o movimento de elétrons em nível atômico nos sólidos com uma precisão espacial e temporal sem precedentes, avançando a pesquisa de materiais. Suas descobertas podem levar ao desenvolvimento de materiais mais direcionados, revelando como o movimento de elétrons é influenciado pelas mudanças atômicas.
“Com o método que desenvolvemos, podemos tornar visíveis coisas que ninguém havia visto antes”, diz o Prof.”
Isso torna possível resolver questões sobre o movimento de elétrons em sólidos que estão sem resposta desde a década de 1980″, afirma Sebastian Loth, diretor administrativo do Instituto de Tecnologias de Matéria Funcional e Quântica (FMQ) da Universidade de Stuttgart.”
No entanto, as descobertas do grupo de Loth também são de grande importância prática para o desenvolvimento de novos materiais.
Pequenas mudanças com consequências macroscópicas: em metais, isoladores e semicondutores, o mundo físico é simples.
Se você alterar alguns átomos no nível atômico, as propriedades macroscópicas permanecem inalteradas.
Por exemplo, os metais modificados dessa forma continuam sendo eletricamente condutores, enquanto os isoladores não.
No entanto, a situação é diferente em materiais mais avançados, que só podem ser produzidos em laboratório: mudanças mínimas no nível atômico causam um novo comportamento macroscópico.
Essas mudanças podem acontecer extremamente rápidas, dentro de picossegundos, uma vez que influenciam o movimento de elétrons através do material diretamente na escala atômica.
Um picossegundo é extremamente curto, apenas um trilionésimo de segundo.
Ele está na mesma proporção do piscar de olhos que o piscar de olhos de um olho está de um período de mais de 3000 anos.
Registrando o movimento do coletivo de elétrons
O grupo de trabalho de Loth descobriu agora uma maneira de observar o comportamento desses materiais durante pequenas mudanças no nível atômico.
Especificamente, os cientistas estudaram um material composto pelos elementos nióbio e selênio no qual um efeito pode ser observado de forma relativamente imperturbável: o movimento coletivo dos elétrons em uma onda de densidade de carga.
Loth e sua equipe investigaram como uma única impureza pode interromper esse movimento coletivo.
Para isso, os pesquisadores de Stuttgart aplicaram um pulso elétrico extremamente curto, que dura apenas um picossegundo, ao material.
A onda de densidade de carga é pressionada contra a impureza e envia distorções de tamanho nanométrico para o coletivo de elétrons, o que causa um movimento de elétrons altamente complexo no material por um curto período de tempo.
O trabalho preliminar importante para os resultados agora apresentados foi realizado no Instituto Max Planck de Pesquisa em Estado Sólido (MPI FKF), em Stuttgart, e no Instituto Max Planck de Pesquisa em Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD), em Hamburgo,onde Loth havia conduzido pesquisas antes de ser nomeado para a Universidade de Stuttgart.
Desenvolvendo materiais com as propriedades desejadas
“Se pudermos entender como o movimento do coletivo de elétrons é interrompido, também poderemos desenvolver materiais com as propriedades desejadas de uma maneira mais direcionada”, explica Loth sobre o potencial dos resultados.
Ou, em outras palavras: como não existem materiais perfeitos sem impurezas, o método de microscopia desenvolvido ajuda a entender como as impurezas devem ser organizadas para que se obtenha o efeito técnico desejado.”
O design no nível atômico tem um impacto direto sobre as propriedades macroscópicas do material”, diz Loth, descrevendo a importância das descobertas da pesquisa.
O efeito pode ser usado, por exemplo, para materiais de comutação ultrarrápida em futuros sensores ou componentes eletrônicos.
Um experimento repetido 41 milhões de vezes por segundo “Existem métodos estabelecidos para visualizar átomos individuais ou seus movimentos”, explica Loth.
“Mas, com esses métodos, você pode alcançar uma alta resolução espacial ou uma alta resolução temporal.”
Para que o novo microscópio de Stuttgart atinja ambos, o físico e sua equipe combinam um microscópio de varredura por tunelamento, que resolve materiais em nível atômico, com um método de espectroscopia ultrarrápido, conhecido como espectroscopia de bomba de sonda.
Para fazer as medições necessárias, a configuração do laboratório deve ser extremamente bem protegida.
As vibrações, o ruído e o movimento do ar são prejudiciais, assim como as flutuações na temperatura e na umidade do ambiente.”
Isso ocorre porque medimos sinais extremamente fracos que, de outra forma, se perdem facilmente no ruído de fundo”, ressalta Loth.
Além disso, a equipe precisa repetir essas medições com muita frequência para obter resultados significativos.
Os pesquisadores conseguiram otimizar o microscópio de tal forma que ele repete o experimento 41 milhões de vezes por segundo e, assim, atinge uma qualidade de sinal particularmente alta.
Publicado em 20/09/2024 09h40
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