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Um grupo de pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST), no Japão, conseguiu capturar uma imagem inédita que mostra a órbita interna das partículas de um excíton. O feito é um avanço importante para a ciência e levou quase um século para acontecer. 

Os excítons são um estado excitado da matéria que é encontrado em semicondutores, eles são eletricamente neutros e se comportam de maneira diferente de outras partículas, como os elétrons. Eles são formados quando os semicondutores absorvem fótons de luz, o que faz com que elétrons carregados negativamente saltem para um nível de energia mais baixo para um nível mais alto. 

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Excítons são importantes para os semicondutores, no entanto, até o momento, os cientistas só haviam conseguido detectá-los e medi-los de maneira limitada. Uma das razões para isso era a fragilidade deles, já que com pouca energia ele é quebrado em elétrons livres e lacunas. Ou seja, sua natureza e fugaz e eles são extintos milésimos de bilionésimos de segundo depois de se formarem. 

“Até muito recentemente, era possível acessar geralmente apenas as assinaturas ópticas de excítons, por exemplo, a luz emitida por um excíton quando extinto”, disse o autor sênior e chefe da Unidade de Espectroscopia do OIST, Keshav Dani. 

“Outros aspectos de sua natureza, como seu momentum, e como o elétron e o buraco orbitam cada um outro, só poderiam ser descritos teoricamente”, completou o especialista. 

Como a imagem foi captada

Primeira e até agora única imagem de um excíton levou alguns dias para ser captada. Crédito: OIST

Para conseguirem captar a imagem, os pesquisadores geraram excítons enviando um pulso de laser dentro de um semicondutor bidimensional. Essa classe de materiais tem apenas alguns átomos de espessura e abrigam partículas mais robustas. 

Após a formação dos excítons, a equipe usou um feixe de laser com fótons de energia ultra alta para separá-los e jogar os elétrons para fora do material, ou seja, o espaço de vácuo dentro de um microscópio eletrônico. 

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A partir daí, o equipamento mediu o ângulo e a energia dos elétrons conforme eles voavam para fora do material. Depois disso, os pesquisadores conseguiram determinar o momento inicial do elétron quando ele foi ligado a um buraco dentro do excíton.

Imagem ilustra como a imagem foi capturada. Crédito: OIST

“A técnica tem algumas semelhanças com os experimentos do colisor da física de alta energia, em que as partículas são esmagadas em conjunto com quantidades intensas de energia, rompendo-as”, explicou o professor Dani. 

“Medindo as trajetórias das partículas internas menores produzidas na colisão, os cientistas podem começar a reconstituir juntos a estrutura interna das partículas intactas originais”, completou o especialista. “Aqui, estamos fazendo algo semelhante, usando fótons de luz ultravioleta extrema para separar excítons e medindo as trajetórias dos elétrons para visualizar o que está dentro”. 

Tais medições demoraram para ser realizadas e exigiram extremo cuidado, além de terem exigido um ambiente com baixa temperatura e baixa intensidade, para evitar o superaquecimento dos excítons. Por conta disso, foram necessários alguns dias para a obtenção de uma única imagem. 

Com informações do Phys.org 

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