Pesquisadores da ETH Zurich conseguiram observar um cristal que consiste apenas de elétrons. Esses cristais de Wigner já foram previstos quase noventa anos atrás, mas só agora podiam ser observados diretamente em um material semicondutor.
Os cristais fascinaram as pessoas ao longo dos tempos. Quem não admirou os padrões complexos de um floco de neve em algum momento, ou as superfícies perfeitamente simétricas de um cristal de rocha? A magia não para, mesmo sabendo que tudo isso resulta de uma simples interação de atração e repulsão entre átomos e elétrons. Uma equipe de pesquisadores liderada por Ataç Imamoglu, professor do Instituto de Eletrônica Quântica da ETH Zurique, produziu um cristal muito especial. Ao contrário dos cristais normais, ele consiste exclusivamente de elétrons. Ao fazer isso, eles confirmaram uma previsão teórica que foi feita quase noventa anos atrás e que desde então tem sido considerada uma espécie de Santo Graal da física da matéria condensada. Seus resultados foram publicados recentemente na revista científica Nature.
Uma previsão de décadas
“O que nos entusiasmou com este problema é sua simplicidade”, diz Imamoglu. Já em 1934, Eugene Wigner, um dos fundadores da teoria das simetrias na mecânica quântica, mostrou que os elétrons em um material podiam teoricamente se organizar em padrões regulares e cristalinos por causa de sua repulsão elétrica mútua. O raciocínio por trás disso é bastante simples: se a energia de repulsão elétrica entre os elétrons for maior que sua energia motora, eles se organizarão de forma que sua energia total seja a menor possível.
Por várias décadas, no entanto, essa previsão permaneceu puramente teórica, já que esses “cristais de Wigner” só podem se formar em condições extremas, como baixas temperaturas e um número muito pequeno de elétrons livres no material. Isso ocorre em parte porque os elétrons são milhares de vezes mais leves do que os átomos, o que significa que sua energia de movimento em um arranjo regular é normalmente muito maior do que a energia eletrostática devido à interação entre os elétrons.
Elétrons em um avião
Para superar esses obstáculos, Imamoglu e seus colaboradores escolheram uma camada fina como uma bolacha de disseleneto de molibdênio material semicondutor que tem apenas um átomo de espessura e na qual, portanto, os elétrons só podem se mover em um plano. Os pesquisadores podem variar o número de elétrons livres, aplicando uma voltagem a dois eletrodos de grafeno transparente, entre os quais o semicondutor é imprensado. De acordo com as considerações teóricas, as propriedades elétricas do disseleneto de molibdênio devem favorecer a formação de um cristal de Wigner – desde que todo o aparelho seja resfriado a alguns graus acima do zero absoluto de menos 273,15 graus Celsius.
No entanto, apenas produzir um cristal Wigner não é o bastante. “O próximo problema foi demonstrar que realmente tínhamos cristais de Wigner em nosso aparelho”, diz Tomasz Smole?ski, que é o principal autor da publicação e trabalha como pós-doutorado no laboratório de Imamoglu. A separação entre os elétrons foi calculada em cerca de 20 nanômetros, ou cerca de trinta vezes menor do que o comprimento de onda da luz visível e, portanto, impossível de resolver mesmo com os melhores microscópios.
Detecção através de excitons
Usando um truque, os físicos conseguiram fazer o arranjo regular dos elétrons visível, apesar da pequena separação na rede cristalina. Para fazer isso, eles usaram luz de uma determinada frequência para excitar os chamados excitons na camada semicondutora. Excitons são pares de elétrons e “buracos” que resultam da falta de um elétron em um nível de energia do material. A frequência precisa da luz para a criação de tais excitons e a velocidade com que eles se movem dependem das propriedades do material e da interação com outros elétrons no material – com um cristal de Wigner, por exemplo.
O arranjo periódico dos elétrons no cristal dá origem a um efeito que às vezes pode ser visto na televisão. Quando uma bicicleta ou um carro anda cada vez mais rápido, acima de uma certa velocidade as rodas parecem parar e depois girar na direção oposta. Isso ocorre porque a câmera tira uma foto da roda a cada 40 milissegundos. Se naquele tempo os raios regularmente espaçados da roda se moveram exatamente na mesma distância entre os raios, a roda parece não girar mais. Da mesma forma, na presença de um cristal de Wigner, os excitons em movimento parecem estacionários, desde que se movam a uma certa velocidade determinada pela separação dos elétrons na rede cristalina.
Primeira observação direta
“Um grupo de físicos teóricos liderados por Eugene Demler, da Universidade de Harvard, que está se mudando para a ETH este ano, calculou teoricamente como esse efeito deveria aparecer nas frequências de excitação observadas dos excitons – e isso é exatamente o que observamos no laboratório, “Imamoglu diz. Ao contrário de experimentos anteriores baseados em semicondutores planares, nos quais os cristais de Wigner foram observados indiretamente por meio de medições de corrente, esta é uma confirmação direta do arranjo regular dos elétrons no cristal. No futuro, com seu novo método, Imamoglu e seus colegas esperam investigar exatamente como os cristais de Wigner se formam a partir de um “líquido” desordenado de elétrons.
Publicado em 05/07/2021 11h27
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