Após 86 anos de tentativas, físicos criam cristais de elétrons

Cristal de Wigner, teorizado em 1934, depende de elétrons de mesma carga dispostos da forma correta para existir; caso contrário, ele derrete

Vinicius Szafran, editado por Daniel Junqueira 12/11/2020 16h46
Cristal
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Em 1934, o físico teórico Eugene Wigner propôs um novo tipo de cristal. Caso fosse possível manter a densidade dos elétrons carregados negativamente abaixo de um certo nível, as partículas subatômicas poderiam ser mantidas em um padrão repetitivo para criar um cristal de elétrons. Esse cristal ficou conhecido como cristal de Wigner.


No entanto, os elétrons são inquietos, e fazê-los parar é extremamente difícil. Mas agora, após 86 anos da proposição de Wigner, uma equipe de físicos conseguiu fazer isso - prendendo-os entre um par de camadas semicondutoras de tungstênio bidimensionais. Os resultados foram publicados na revista Nature.

Cristais comuns, como quartzo ou diamante, são formados por uma rede de átomos dispostos em uma estrutura de grade repetitiva tridimensional fixa. Pela ideia de Wigner, os elétrons poderiam ser dispostos de forma parecida para formar um cristal sólido, mas apenas se eles estivessem estacionários.

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Estrutura de cristais comuns é tridimensional fixa, diferentemente de cristais de elétrons. Imagem: Dids/Pexels

Se a densidade dos elétrons for baixa o bastante, a repulsão de Coulomb entre elétrons de mesma carga produz energia potencial que deve dominar sua energia cinética, fazendo com que eles parem. Essa é a parte difícil do processo.

"Os elétrons são mecânicos quânticos. Mesmo que você não faça nada com eles, eles estão se mexendo espontaneamente o tempo todo", afirmou o físico Kin Fai Mak, da Universidade Cornell. "Um cristal de elétrons teria realmente a tendência de derreter porque é muito difícil manter os elétrons fixos em um padrão periódico".

Portanto, para criar cristais de Wigner são necessárias algumas armadilhas de elétrons, como fortes campos magnéticos, mas a cristalização completa escapava dos físicos. Em 2018, pesquisadores do MIT que tentaram criar um tipo de isolante podem ter acidentalmente criado um cristal de Wigner, mas seus resultados deixaram margem para interpretação.

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Design de uma superrede moiré. Imagem: Departamento de Física da UCSD

A armadilha do MIT era uma estrutura de grafeno conhecida como super-rede moiré, onde duas grades bidimensionais são sobrepostas com uma ligeira torção e padrões regulares maiores emergem, como na imagem acima.

Agora, a equipe de Cornell, liderada pelo físico Yang Xu, usou uma abordagem mais direcionada com sua própria super-rede moiré. Eles usaram dissulfeto de tungstênio (WS2) e disseleneto de tungstênio (WSe2), cultivados na Universidade de Columbia, como camadas semicondutoras.

Quando sobrepostas, essas camadas produziram um padrão hexagonal, permitindo que a equipe controlasse a ocupação média de elétrons em qualquer local específico. O próximo passo foi colocar os elétrons com cuidado em determinados locais da rede, usando cálculos para determinar a taxa de ocupação na qual diferentes arranjos formarão cristais.

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Estados de isolamento na super-rede onde são colocados os elétrons. Imagem: Xu et al., Nature, 2020

O desafio final era como realmente ver se suas previsões estavam corretas, observando (ou não) os cristais de Wigner. "Você precisa atingir as condições certas para criar um cristal de elétrons e, ao mesmo tempo, eles também são frágeis", explicou Mak. "Você precisa de uma boa maneira de sondá-los. Você realmente não quer perturbá-los significativamente ao sondá-los".

Para resolver esse problema, a equipe usou camadas isolantes de nitreto de boro hexagonal. Um sensor óptico foi colocado bem próximo da amostra, mas sem tocá-la - apenas um nanômetro de distância, separado por uma camada de nitreto de boro. Isso permitiu a alta sensibilidade de detecção, mas evitando o acoplamento elétrico entre sensor e amostra.

Dentro da super-rede moiré, os pesquisadores encontraram elétrons organizados em uma variedade de configurações de cristal, incluindo cristais de Wigner triangulares, fases de faixa e dímeros. Além de implicações no estudo de cristais de elétrons, essa conquista demonstra o potencial inexplorado de super-redes moiré para pesquisas em física quântica.

Via: Science Alert


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