Pela primeira vez, Os físicos do MIT observaram um cristal altamente ordenado de elétrons em um material semicondutor e documentaram sua fusão, muito parecido com o degelo do gelo na água. As observações confirmam uma transição de fase fundamental na mecânica quântica que foi proposta teoricamente há mais de 80 anos, mas não documentada experimentalmente até agora.

O time, liderado pelo professor de física do MIT Raymond Ashoori e seu pós-doutorando Joonho Jang, usou uma técnica de espectroscopia desenvolvida no grupo de Ashoori. O método se baseia no tunelamento de elétrons, "um processo de mecânica quântica que permite aos pesquisadores injetar elétrons em energias precisas em um sistema de interesse - neste caso, um sistema de elétrons aprisionados em duas dimensões. O método usa centenas de milhares de pulsos elétricos curtos para sondar uma folha de elétrons em um material semicondutor resfriado a temperaturas extremamente baixas, logo acima do zero absoluto.

Com sua técnica de tunelamento, os pesquisadores injetaram elétrons no material super-resfriado para medir os estados de energia dos elétrons dentro da folha semicondutora. Contra um desfoque de fundo, eles detectaram um aumento acentuado nos dados. Depois de muita análise, eles determinaram que o pico era o sinal preciso que seria emitido por um cristal altamente ordenado de elétrons vibrando em uníssono.

À medida que o grupo aumentava a densidade de elétrons, essencialmente empacotando-os em quartos cada vez mais apertados dentro da folha, eles descobriram que o pico de dados disparou para energias mais altas, então desapareceu inteiramente, precisamente em uma densidade de elétrons na qual um cristal eletrônico deve derreter.

Os pesquisadores acreditam que finalmente capturaram o processo de fusão quântica - uma transição de fase na mecânica quântica, em que os elétrons que formaram uma estrutura cristalina puramente por meio de suas interações quânticas se fundem em um fluido mais desordenado, em resposta às flutuações quânticas de sua densidade.

"Vimos algo radicalmente novo, "Ashoori diz." Há muito tempo que muitas pessoas procuram demonstrar o derretimento de um cristal eletrônico, e acho que conseguimos. "

Ashoori e Jang publicaram seus resultados na semana passada no jornal Física da Natureza . Seus co-autores são o ex-pós-doutorado do MIT Benjamin Hunt, e Loren Pfeiffer e Kenneth West da Universidade de Princeton.

Uma ideia cristalizante

A ideia de um cristal de elétrons foi proposta pela primeira vez em 1934 pelo físico húngaro-americano Eugene Wigner. Normalmente, metais semicondutores, como silício e alumínio, são capazes de conduzir eletricidade na forma de elétrons que fazem pingue-pongue em alta velocidade, criando uma corrente através do material.

Contudo, em temperaturas ultracold, elétrons nesses metais devem ser quase paralisados, já que sobra muito pouco calor para estimular seus movimentos. Quaisquer movimentos que os elétrons exibam, então, deve ser devido às interações quânticas - as forças invisíveis entre os elétrons individuais e outros quantum, partículas subatômicas.

Elétrons, sendo carregado negativamente, naturalmente se repelem. Wigner propôs que, para elétrons super-resfriados em baixas densidades, suas forças repulsivas mútuas deveriam atuar como uma espécie de andaime, mantendo os elétrons juntos, mas separados em intervalos igualmente espaçados, criando assim um cristal de elétrons. Um arranjo tão rígido, que desde então foi cunhado como um cristal de Wigner, deve transformar um metal em um isolante ao invés de um condutor elétrico.

Através de um túnel quântico

Desde a proposta de Wigner, outros tentaram observar um cristal Wigner no laboratório, com resultados inconclusivos. Por sua parte, Ashoori e Jang não se propuseram originalmente a encontrar um cristal Wigner, mas, em vez disso, simplesmente queria sondar uma folha bidimensional de elétrons usando sua técnica de tunelamento de elétrons.

Na última década, o grupo desenvolveu e melhorou sua técnica, que envolve disparar elétrons através de uma barreira para sondar os estados de energia de um material do outro lado. A mecânica quântica determina que existe uma probabilidade de que qualquer objeto no universo possa cruzar ou "criar um túnel" através de uma barreira aparentemente impenetrável e sair do outro lado inalterado.

Essa ideia é a chave para a técnica de tunelamento dos pesquisadores, em que eles disparam elétrons através de uma barreira semicondutora, a uma folha bidimensional subjacente de elétrons. Lá, os elétrons de tunelamento podem causar vibrações nos elétrons circundantes, as energias que os pesquisadores podem medir, dadas as energias conhecidas dos elétrons de tunelamento.

Uma "descoberta fortuita"

Em seus experimentos, a equipe sondou uma folha semicondutora de arsenieto de gálio sob uma barreira de arsenieto de gálio e alumínio. Os pesquisadores resfriaram toda a amostra até apenas uma fração acima do zero absoluto e aplicaram pulsos de elétrons em energias variadas, em seguida, analisou os dados resultantes.

Quando Jang percebeu o pico muito acentuado nos dados, ele examinou a literatura teórica anterior para explicar o recurso e, finalmente, chegou à conclusão de que o pico, dada a temperatura e densidade de elétrons em que se formou, só poderia ser a assinatura de um cristal de elétrons vibrando em uníssono.

"Muitas das previsões teóricas corresponderam às nossas observações, de modo a, nós pensamos, era uma arma fumegante, "Jang diz." Observamos o toque de um cristal de elétron.

Os pesquisadores deram um passo adiante para ver o que aconteceria se eles alterassem a densidade dos elétrons na folha bidimensional. Conforme a densidade aumentou, as energias vibracionais do cristal de elétron também, eventualmente atingindo o pico, então desaparecendo no ponto exato em que as teorias previam que um cristal deveria derreter. O cristal de elétrons, os pesquisadores presumiram, deve ter se tornado tão densa que toda a estrutura desmoronou em uma forma mais desordenada, estado fluido.

"Ninguém nunca olhou para este sistema com este tipo de resolução, "Ashoori diz." Foi uma descoberta totalmente fortuita. "

A equipe está trabalhando para melhorar ainda mais a resolução de sua técnica de tunelamento de elétrons, na esperança de usá-lo para discernir as formas específicas dos cristais de elétrons.

"Diferentes cristais têm diferentes modos de vibração, e se tivéssemos melhor resolução, poderíamos determinar se existem certos picos na curva de vibração que significam modos diferentes, ou formas, "Ashoori diz." Há razões para acreditar que podemos determinar isso com o tempo. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.