Os físicos fizeram imagens de “cristais de Wigner” indescritíveis pela primeira vez.
Se as condições forem adequadas, alguns dos elétrons dentro de um material se organizarão em um padrão de favo de mel organizado – como um sólido dentro de um sólido. Os físicos agora têm imaginado diretamente esses “cristais de Wigner”, em homenagem ao teórico nascido na Hungria, Eugene Wigner, que os imaginou pela primeira vez há quase 90 anos.
Os pesquisadores criaram cristais Wigner de forma convincente e mediram suas propriedades antes, mas esta é a primeira vez que alguém realmente tirou uma foto dos padrões, diz o co-autor do estudo Feng Wang, físico da Universidade da Califórnia, Berkeley. “Se você diz que tem um cristal de elétron, mostre-me o cristal”, diz ele. Os resultados foram publicados em 29 de setembro na Nature.
Para criar os cristais de Wigner, a equipe de Wang construiu um dispositivo contendo camadas de átomos finos de dois semicondutores semelhantes: dissulfeto de tungstênio e disseleneto de tungstênio. A equipe então usou um campo elétrico para ajustar a densidade dos elétrons que se moviam livremente ao longo da interface entre as duas camadas.
Em materiais comuns, os elétrons se movem rápido demais para serem afetados de forma significativa pela repulsão entre suas cargas negativas. Mas Wigner previu que se os elétrons viajassem devagar o suficiente, a repulsão começaria a dominar seu comportamento. Os elétrons então encontrariam arranjos que minimizassem sua energia total, como um padrão de favo de mel. Então, Wang e seus colegas reduziram a velocidade dos elétrons em seu dispositivo, resfriando-o a apenas alguns graus acima do zero absoluto.
A incompatibilidade entre as duas camadas do dispositivo também ajudou os elétrons a formarem os cristais de Wigner. Os átomos em cada uma das duas camadas semicondutoras estão a distâncias ligeiramente diferentes, portanto, emparelhá-los cria um “padrão moiré” em favo de mel, semelhante ao visto ao sobrepor duas grades. Esse padrão de repetição criou regiões de energia ligeiramente mais baixa, o que ajudou os elétrons a se estabelecerem.
Truque de grafeno
A equipe usou um microscópio de tunelamento de varredura (STM) para ver este cristal de Wigner. Em um STM, uma ponta de metal paira sobre a superfície de uma amostra e uma voltagem faz com que os elétrons saltem da ponta, criando uma corrente elétrica. À medida que a ponta se move pela superfície, a alteração da intensidade da corrente revela a localização dos elétrons na amostra.
As tentativas iniciais de obter imagens do cristal de Wigner aplicando o STM diretamente no dispositivo de camada dupla não tiveram sucesso, diz Wang, porque a corrente destruiu os frágeis arranjos de Wigner. Então a equipe adicionou uma camada de grafeno, uma folha de carbono com um único átomo, no topo. A presença do cristal de Wigner alterou ligeiramente a estrutura eletrônica do grafeno diretamente acima, que foi então captado pelo STM. As imagens mostram claramente o arranjo preciso dos elétrons de Wigner subjacentes. Como esperado, os elétrons consecutivos no cristal de Wigner estão quase 100 vezes mais distantes do que os átomos nos cristais reais do dispositivo semicondutor.
“Acho que é um grande avanço ser capaz de realizar STM neste sistema”, diz Carmen Rubio Verdú, um físico da Universidade de Columbia em Nova York. Ela acrescenta que o mesmo método baseado em grafeno permitirá estudos STM de uma série de outros fenômenos físicos interessantes além dos cristais de Wigner. Kin Fai Mak, físico da Cornell University em Ithaca, Nova York, concorda. ?A técnica não é invasiva para o estado que você deseja sondar. Para mim, é uma ideia muito inteligente. ?
Publicado em 03/10/2021 09h24
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