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Existência do cristal de elétrons "congelados" é comprovada com imagem incrível

Por| Editado por Patricia Gnipper | 14 de Outubro de 2021 às 19h55

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H. Li/Nature
H. Li/Nature

Físicos conseguiram a primeira imagem que prova, por definitivo, a existência de um material chamado cristal Wigner. Não é a primeira vez que uma pesquisa conseguiu criar essa matéria excêntrica, mas é a melhor evidência visual de que ele pode ser produzido.

Um cristal Wigner é a fase sólida dos elétrons, prevista por Eugene Wigner em 1934. Teoricamente, ele pode ser produzido com um gás de elétrons movendo-se em 2D ou 3D em um fundo uniforme, inerte e neutralizante. Com isso, os elétrons devem se cristalizar e formar uma rede, caso a densidade desse gás for menor que um valor crítico. Isso pode ser feito aplicando ao gás um campo magnético forte o suficiente, por exemplo.

Outros experimentos anteriores já haviam produzido os elétrons cristalizados, e suas características já foram estudadas, mas ainda faltava uma visão direta deste "gelo de elétrons". A imagem mostra elétrons espremidos em um padrão repetitivo e apertado, que lembra um favo de mel, ou mesmo as imagens criadas em um caleidoscópio. Claro, esta imagem não é uma fotografia direta, mas um mapeamento por tunelamento quântico. 

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Para produzir o cristal Wigner, é necessário desacelerar o movimento insano dos elétrons, o que significa reduzir a temperatura do material. Com isso, eles se restringem a oscilar bem vagamente em uma área e as forças de repulsão se tornam maiores que o potencial de movimento das partículas — elétrons costumam se mover tão rápido que mal interagem entre si. Por causa dessa repulsão, eles se organizam nesses padrões geométricos repetitivos.

Neste experimento, os cientistas aprisionaram elétrons na lacuna existente entre as camadas de átomos de dois semicondutores: dissulfeto de tungstênio e disseleneto de tungstênio. Então, eles aplicaram um campo elétrico através da lacuna para remover qualquer excesso de elétrons e resfriaram tudo até chegar a apenas 5 graus acima do zero absoluto. Isso foi o suficiente para reduzir a velocidade das partículas e produzir o cristal Wigner.

Então, para criar a imagem, os pesquisadores usaram um microscópio de tunelamento de varredura (STM) para fazer o mapeamento tridimensional do material. Essa não foi uma etapa muito simples, pois a corrente fornecida pelo STM era muito alta para o gelo de elétrons. Para impedir que ele "derretesse", os pesquisadores inseriram uma camada de átomos de grafeno logo acima do cristal Wigner, para protegê-lo.

A estratégia funcionou e os cientistas conseguiram usar o STM para mapear o cristal, com o grafeno funcionando mais ou menos como o vidro de uma fotocopiadora. Assim, foi obtido o primeiro "instantâneo" do cristal Wigner, provando sua existência sem deixar nenhuma dúvida. O resultado foi publicado em um artigo na revista Nature.

Fonte: Space.com