Os físicos têm tentado determinar os estados fundamentais de sistemas de elétrons 2D em densidades e temperaturas extremamente baixas por muitas décadas. As primeiras previsões teóricas para esses estados fundamentais foram apresentadas pelos físicos Felix Bloch em 1929 e Eugene Wigner em 1934, os quais sugeriram que as interações entre os elétrons poderiam levar a estados fundamentais que nunca haviam sido observados antes.
Pesquisadores da Universidade de Princeton vêm realizando estudos nessa área da física há vários anos. Seu trabalho mais recente, apresentado na Physical Review Letters, reuniu evidências de um novo estado que havia sido previsto por Wigner, conhecido como um sólido de Wigner desordenado (WS).
“A fase prevista por Wigner, um arranjo ordenado de elétrons (o chamado cristal de Wigner ou WS), fascina os cientistas há décadas”, disse Mansour Shayegan, investigador principal do estudo, ao Phys.org. “Sua realização experimental é extremamente desafiadora, pois requer amostras com densidades muito baixas e com parâmetros adequados (grande massa efetiva e pequena constante dielétrica) para potencializar o papel da interação.”
Para produzir com sucesso um WS ou WS quântico em um ambiente de laboratório, os pesquisadores precisam de amostras extremamente puras e de alta qualidade. Isso significa que as substâncias que eles usam em seus experimentos devem ter um número mínimo de impurezas, pois essas impurezas podem atrair elétrons e levá-los a se reorganizarem aleatoriamente.
Como satisfazer os requisitos para a produção desses estados é muito desafiador, estudos anteriores sondando sistemas quânticos WS, nos quais as interações elétron-elétron dominam a chamada energia de Fermi, têm sido incrivelmente escassos. O primeiro WS quântico foi observado em 1999 por Jongsoo Yoon na Universidade de Princeton e alguns dos pesquisadores envolvidos no estudo recente, usando uma heteroestrutura 2D de GaAs/AlGaAs.
Em seu novo estudo, a equipe usou uma amostra de AlAs (arseneto de alumínio) 2D limpa e altamente pura com uma massa efetiva anisotrópica (ou seja, diferente quando medida em direções diferentes) e Mar de Fermi. Notavelmente, sua amostra satisfez muito bem os requisitos para a realização de um WS 2D anisotrópico.
“Nossa amostra é uma plataforma quase ideal para observar um WS quântico em campo magnético zero”, disse Shayegan. “Agora, acontece que os elétrons 2D em AlAs fornecem um bônus extra, ou seja, uma dispersão de banda de energia anisotrópica que leva a uma massa efetiva anisotrópica. O que descobrimos é que essa anisotropia pode se manifestar nas propriedades do WS, como sua resistência e limiar de despinning ao longo de diferentes direções no plano.
O material usado por Shayegan e seus colegas em seus experimentos consiste em um poço quântico de AlAs de alta qualidade, com muito poucas impurezas e, portanto, baixa desordem. Neste poço quântico, os elétrons estão confinados em 2 dimensões.
“Podemos usar a voltagem do portão para ajustar a densidade dos elétrons em nossa amostra”, disse o Md Shafayat Hossain, principal autor do artigo, ao Phys.org. “Usamos uma combinação de transporte elétrico (ou seja, medições de resistividade) e espectroscopia de polarização DC (ou seja, medição de resistência diferencial em função da polarização DC fonte-dreno) para estudar o sólido de Wigner desordenado 2D anisotrópico.”
As medições da resistividade e resistência diferencial da amostra da equipe mostraram que eles de fato observaram um novo WS quântico em um campo magnético zero, usando um sistema de material anisotrópico. Em última análise, isso permitiu que eles descobrissem os efeitos da anisotropia no estado WS indescritível, mas fascinante.
“O sólido de Wigner observado mostra diferentes capacidades efetivas de deslizamento ao longo de diferentes direções”, disse Hossain. “Isso se manifesta através de diferentes tensões de limiar de despinning ao longo de diferentes direções observadas em nossos experimentos”.
O estado anisotrópico de WS observado por esta equipe de pesquisadores provavelmente será um estado quântico inteiramente novo. Isso significa que até agora muito pouco se sabe sobre suas propriedades e características.
No futuro, essas descobertas recentes podem, assim, inspirar novos estudos teóricos e experimentais destinados a entender melhor esse estado quântico recém-identificado com uma anisotropia intrínseca (ou seja, com valores diferentes quando medidos em diferentes direções). Esses estudos poderiam, por exemplo, tentar determinar a forma de rede característica do estado.
“Com base em nossas descobertas experimentais, o comportamento eletrônico diferente ao longo de diferentes direções de WSs anisotrópicos também pode ser usado em dispositivos eletrônicos”, disse Hossain. “Tais dispositivos podem responder de forma diferente dependendo da direção da tensão aplicada.”
Em última análise, o WS anisotrópico descoberto por esta equipe de pesquisadores pode abrir caminho para o desenvolvimento de novos tipos de dispositivos quânticos anisotrópicos. Em seus próximos trabalhos, Shayegan, Hossain e seus colegas investigarão as ressonâncias de microondas do estado que descobriram, pois podem fornecer mais detalhes sobre o estado e sua anisotropia.
“Por exemplo, vamos perguntar: o WS mostra ressonâncias, semelhantes ao que foi visto no caso de WSs induzidos por campo magnético, em preenchimentos muito pequenos (campos magnéticos altos)?” acrescentou Shayegan. “Observar ressonâncias seria muito útil, pois forneceria fortes evidências para a fase WS. Além disso, observar ressonâncias cujas frequências dependem da orientação do campo elétrico aplicado em relação à orientação do cristal WS seria fascinante e lançaria luz sobre o papel da anisotropia.”
Publicado em 10/08/2022 23h12
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