Elétrons em um sólido podem se unir para formar as chamadas quasipartículas, que conduzem a novos fenômenos. Os físicos da ETH em Zurique agora estudaram quasipartículas anteriormente não identificadas em uma nova classe de semicondutores atomicamente finos. Os pesquisadores usam seus resultados para corrigir uma interpretação errônea predominante.

Se alguém tenta entender os fenômenos meteorológicos, não adianta observar o comportamento de gotículas de água individuais ou moléculas de ar. Em vez de, meteorologistas (e também leigos) falam de nuvens, ventos e precipitação - objetos que resultam da interação complexa entre pequenas partículas. Os físicos que lidam com as propriedades ópticas ou a condutividade dos sólidos usam quase a mesma abordagem. Novamente, partículas minúsculas - elétrons e átomos - são responsáveis ​​por uma infinidade de fenômenos, mas uma imagem esclarecedora só surge quando muitas delas são agrupadas em "quase-partículas".

Contudo, descobrir exatamente quais quasipartículas surgem dentro de um material e como elas influenciam umas às outras não é uma tarefa simples, mas mais parecido com um grande quebra-cabeça cujas peças se encaixam, pouco a pouco, através de pesquisas árduas. Em uma combinação de estudos experimentais e teóricos, Ataç Imamoglu e seus colaboradores do Instituto de Eletrônica Quântica da ETH em Zurique agora conseguiram encontrar uma nova peça do quebra-cabeça, o que também ajuda a colocar uma peça previamente perdida em sua posição correta.

Excitons e polarons

Em sólidos, quasipartículas podem ser criadas, por exemplo, quando um fóton é absorvido. A energia de movimento dos elétrons fervilhando em um sólido só pode assumir valores dentro de intervalos bem definidos conhecidos como bandas. Um fóton pode promover um elétron de uma faixa de energia de baixa altitude para alta, deixando para trás um "buraco" na faixa inferior.

O elétron excitado e o buraco resultante se atraem através da força de Coulomb eletrostática, e se essa atração for forte o suficiente, o par elétron-buraco pode ser visto como uma quase-partícula - nasce um "exciton". Dois elétrons e um buraco podem se ligar para formar um trion. Quando excitons e um grande número de elétrons livres estão simultaneamente presentes, no entanto, a descrição das propriedades qualitativamente novas - ou "emergentes" - do material requer a introdução de um novo tipo de quasipartículas chamadas polarons de Fermi.

Quasipartículas em um semicondutor

Imamoglu e seus colegas queriam descobrir a natureza das quasipartículas que aparecem em um certo tipo de semicondutor em que os elétrons só podem se mover em duas dimensões. Para fazer isso, eles pegaram uma única camada de disseleneto de molibdênio que é mil vezes mais fina do que um micrômetro e a colocaram entre dois discos de nitreto de boro. Eles então adicionaram uma camada de grafeno para aplicar uma voltagem elétrica com a qual a densidade dos elétrons no material poderia ser controlada. Finalmente, tudo foi colocado entre dois espelhos que formaram uma cavidade óptica.

Com essa configuração experimental complexa, os físicos em Zurique poderiam agora estudar em detalhes a intensidade com que o material absorve luz em diferentes condições. Eles descobriram que quando a estrutura do semicondutor é opticamente excitada, Fermi-polarons são formados - e não, como pensado anteriormente, excitons ou trions. "Até aqui, pesquisadores - inclusive eu - interpretaram mal os dados disponíveis na época a esse respeito ", admite Imamoglu. "Com nossos novos experimentos, agora somos capazes de retificar essa imagem."

Esforço de equipe com um cientista convidado

"Este foi um esforço de equipe com contribuições essenciais do professor de Harvard Eugene Demler, que colaborou conosco ao longo de vários meses, quando era um bolsista ITS ", diz Meinrad Sidler, que é estudante de doutorado no grupo Imamoglus. Desde 2013, o Instituto de Estudos Teóricos (ITS) da ETH tem se empenhado em fomentar a pesquisa interdisciplinar na intersecção entre a matemática, física teórica e ciência da computação. Em particular, quer facilitar a pesquisa orientada pela curiosidade com o objetivo de encontrar as melhores ideias em lugares inesperados.

O estudo de Imamoglu e seus colegas, agora publicado em Física da Natureza , é um bom exemplo de como esse princípio pode ser bem-sucedido. Em sua própria pesquisa, Eugene Demler lida com átomos ultracold, estudar como as misturas de átomos bosônicos e fermiônicos se comportam. "Sua visão sobre os polarons em gases e sólidos atômicos deu à nossa pesquisa impulsos importantes e interessantes, que podemos não ter inventado por conta própria ", diz Imamoglu.

Supercondutividade induzida por luz

Os insights que eles reuniram provavelmente manterão Imamoglu e seus colaboradores ocupados por algum tempo, como as interações entre partículas bosônicas (como excitons) e fermiônicas (elétrons) são o tema de um grande projeto de pesquisa para o qual Imamoglu ganhou uma Bolsa Avançada do Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) no ano passado, e também é apoiado pelo Centro Nacional de Competência em Ciência e Tecnologia de Pesquisa Quântica (NCCR QSIT). Uma melhor compreensão de tais misturas teria implicações importantes para a pesquisa básica, mas aplicativos interessantes também acenam. Por exemplo, um dos principais objetivos do projeto ERC é a demonstração do controle da supercondutividade por meio de lasers.