De olho em tudo:Christian Ast verifica as conexões do microscópio de tunelamento (topo). Pesquisadores do Departamento de Ciência em nanoescala conduzem seus experimentos neste instrumento em temperaturas mais baixas de quinze milésimos de grau acima do zero absoluto. O princípio é sempre o mesmo (parte inferior):uma corrente de tunelamento (ilustrada pela barra transparente) flui entre uma ponta ultrafina e a amostra, fornecer informações sobre as propriedades da amostra. Nessas baixas temperaturas, a corrente de tunelamento revela todas as suas propriedades quânticas. Crédito:Tom Pingel (topo), MPI para Pesquisa de Estado Sólido (parte inferior)
O que aconteceria se uma corrente elétrica não fluísse mais, mas gotejou em vez disso? Essa foi a questão investigada por pesquisadores que trabalham com Christian Ast no Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido. A investigação envolveu o resfriamento de seu microscópio de tunelamento de varredura até quinze milésimos de grau acima do zero absoluto. Nessas temperaturas extremamente baixas, os elétrons revelam sua natureza quântica. A corrente elétrica é, portanto, um meio granular, consistindo em partículas individuais. Os elétrons giram através de um condutor como grãos de areia em uma ampulheta, um fenômeno que pode ser explicado com o auxílio da eletrodinâmica quântica.
O fluxo de água de uma torneira parece um meio homogêneo - é impossível distinguir entre as moléculas de água individuais. Exatamente a mesma coisa acontece com a corrente elétrica. Tantos elétrons fluem em um cabo convencional que a corrente parece ser homogênea. Embora não seja possível distinguir elétrons individuais, a mecânica quântica diz que eles deveriam existir. Então, como eles se comportam? Sob quais condições a corrente não flui como a água em uma torneira, mas escorre como areia em uma ampulheta?
A analogia da ampulheta é muito apropriada para o microscópio de tunelamento de varredura, onde um fino, a ponta pontiaguda varre a superfície de uma amostra sem realmente tocá-la. Uma pequena corrente flui, no entanto, pois há uma pequena probabilidade de que os elétrons "tunelem" da ponta pontiaguda para a amostra. Esta corrente de tunelamento é uma função exponencial da separação, razão pela qual a ponta pontiaguda está localizada apenas alguns Ångström (um décimo milionésimo de um milímetro) acima da amostra.
Variações mínimas na corrente de tunelamento permitem que os pesquisadores resolvam átomos individuais e estruturas atômicas em superfícies e investiguem sua estrutura eletrônica. Os microscópios de varredura por tunelamento são, portanto, alguns dos detectores mais versáteis e sensíveis em toda a física do estado sólido.
p Mesmo sob essas condições extremas - uma pequena corrente de menos de um bilionésimo da corrente que flui através de uma lâmpada de 100 watts - bilhões de elétrons por segundo ainda fluem. Isso é muito para discernir elétrons individuais. A temperatura caiu cerca de quinze milésimos de grau acima do zero absoluto (ou seja, a menos 273,135 ° C ou 15 mK) antes que os cientistas vissem que a corrente elétrica consiste em elétrons individuais.Nesta baixa temperatura, estruturas muito finas, que os pesquisadores não esperavam, aparecem no espectro. "Poderíamos explicar essas novas estruturas apenas assumindo que a corrente de tunelamento é um meio granular e não mais homogêneo, "diz Ast, que lidera o grupo que trabalha com o microscópio de tunelamento de varredura. Esta é, portanto, a primeira vez que toda a natureza quântica do transporte eletrônico no microscópio de tunelamento de varredura se mostra.
A carga elétrica deve, portanto, ser quantizada também para que esse fenômeno da mecânica quântica seja totalmente explicado. "A teoria em que isso se baseia foi desenvolvida no início da década de 1990. Agora que as questões conceituais e práticas relacionadas à sua aplicação em microscópios de tunelamento de varredura foram resolvidas, é bom ver como a teoria e o experimento se encaixam de forma consistente, "diz Joachim Ankerhold da Universidade de Ulm, quem contribuiu com a base teórica.
Além de uma teoria detalhada, experimentos desse tipo requerem um ambiente de laboratório adaptado que reduz em grande medida os distúrbios externos. Desde o final de 2012, um novo laboratório de precisão está em operação no campus dos Institutos Max Planck em Stuttgart; ele fornece um ambiente de laboratório quase livre de perturbações para experimentos altamente sensíveis, como o microscópio de tunelamento de varredura mK.
O instrumento está localizado no laboratório de precisão em uma caixa equipada com blindagem acústica e eletromagnética em uma base de concreto desacoplada de vibração. "Queremos usá-lo para nos aventurar em novos, território desconhecido - o que fizemos com muito sucesso com este experimento, "diz Klaus Kern, Diretor do Instituto Max Planck de Pesquisa do Estado Sólido.
Os elétrons já demonstraram sua natureza quântica. À medida que são transportados através de pontos quânticos, por exemplo, o fluxo de corrente é especificamente bloqueado para que os elétrons apareçam individualmente. Este efeito tornou-se evidente no microscópio de tunelamento de varredura simplesmente por resfriá-lo a temperaturas extremamente baixas, Contudo. "O efeito túnel definitivamente atingiu o limite quântico aqui, "diz o membro da equipe Berthold Jäck. Os pesquisadores não querem ver isso como uma limitação, Contudo. "Essas temperaturas extremamente baixas abrem uma riqueza de detalhes inesperada que nos permite entender a supercondutividade e as interações luz-matéria muito melhor, "diz Christian Ast.
