Estranho cristal de Wigner foi visto pela primeira vez

Há cerca de 90 anos, o físico teórico Eugene Wigner apontou que os elétrons livres poderiam se organizar em uma estranha forma de matéria, onde não existe nenhum átomo e uma rede cristalina se forma a partir da repulsão dessas partículas. No entanto, essa formação peculiar, conhecida como Cristal de Wigner, nunca havia sido observada, pelo menos não até agora.

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Cristais de Wigner

Cristais são definidos pela forma que átomos se ligam uns aos outros formando um padrão repetitivo no espaço. Em 1934, Wigner propôs que os elétrons poderiam se organizar de forma semelhante, auxiliados pela repulsão das cargas negativas dessas partículas.

O físico apontava em sua teoria, que em condições de baixa temperatura e densidade, a repulsão entre os elétrons deveria fazer com que sua energia potencial dominasse sua necessidade de aproximação e fizesse com que essas partículas se arranjassem em uma rede semelhante a cristais. A partir disso eles se comportariam como a mecânica quântica, com os elétrons ligados agindo como uma onda individual. 

Desde que foi proposta a ideia dos cristais de Wigner, diversos experimentos comprovaram indiretamente sua existência, mas as evidências diretas mostram-se difíceis de serem achadas.

Existem literalmente centenas de artigos científicos que estudam estes efeitos e afirmam que os resultados devem ser devidos ao cristal Wigner, mas não podemos ter a certeza, porque nenhuma destas experiências realmente vê o cristal.

Al Yazdani, físico, em comunicado

A nova pesquisa

Em uma nova pesquisa, publicada recentemente na Nature, os pesquisadores Yen-Chen Tsui, Minhao He e Yuwen Hu, da Universidade de Princeton, conceberam uma experiência em que esperavam finalmente conseguir observar diretamente os cristais de Wigner, e os resultados foram promissores.

Para a experiência, os cientistas usaram duas folhas de grafeno puros dispostas em uma configuração específica e que depois foram resfriadas a temperaturas próximas ao zero absoluto. A aplicação de um campo magnético ajustou a densidade de elétrons entre as camadas para um ponto ideal.

• Se tivesse poucos elétrons eles iriam se repelir e afastar;
• Se fosse demais, as partículas se aglomerariam e formariam um líquido eletrônico;
• Na densidade ideal, ou cachinhos dourados, os elétrons tentam se afastar, mas sua fuga é impedida por outros elétrons;

Por causa disso, essas partículas se agrupam em uma grade, onde elas se mantêm o mais equidistante possível. Para medir o cristal de Wigner que se formou foi utilizado microscopia de varredura por tunelamento de alta resolução, a técnica usa tunelamento quântico para sondar matérias em escala atômica.

Em nosso experimento, podemos criar imagens do sistema à medida que ajustamos o número de elétrons por unidade de área. Apenas alterando a densidade, você pode iniciar essa transição de fase e descobrir que os elétrons se formam espontaneamente em um cristal ordenado. Nosso trabalho fornece as primeiras imagens diretas deste cristal. Provamos que o cristal realmente está lá e podemos vê-lo.

Yen-Chen Tsui