p Pela primeira vez, os físicos desenvolveram uma técnica que pode perscrutar profundamente abaixo da superfície de um material para identificar as energias e os momentos dos elétrons ali. p A energia e o momento desses elétrons, conhecida como "estrutura de banda de um material, "são propriedades essenciais que descrevem como os elétrons se movem através de um material. a estrutura de banda determina as propriedades elétricas e ópticas de um material.

p O time, no MIT e na Universidade de Princeton, usou a técnica para sondar uma folha semicondutora de arseneto de gálio, e mapeou a energia e o momento dos elétrons em todo o material. Os resultados são publicados hoje na revista. Ciência .

p Visualizando a estrutura da banda, não apenas na superfície, mas em todo o material, os cientistas podem ser capazes de identificar melhor, materiais semicondutores mais rápidos. Eles também podem ser capazes de observar as estranhas interações de elétrons que podem dar origem à supercondutividade em certos materiais exóticos.

p "Os elétrons estão constantemente girando em um material, e eles têm um certo ímpeto e energia, "diz Raymond Ashoori, professor de física no MIT e co-autor do artigo. "Estas são propriedades fundamentais que podem nos dizer que tipo de dispositivos elétricos podemos fazer. Muitos dos componentes eletrônicos importantes do mundo existem sob a superfície, nesses sistemas que não fomos capazes de sondar profundamente até agora. Portanto, estamos muito animados - as possibilidades aqui são muito vastas. "

p Os co-autores de Ashoori são o pós-doutorando Joonho Jang e o estudante de graduação Heun Mo Yoo, junto com Loren Pfeffer, Ken West, e Kirk Baldwin, da Universidade de Princeton.

p Imagens abaixo da superfície

p A data, os cientistas só conseguiram medir a energia e o momento dos elétrons na superfície de um material. Para fazer isso, eles usaram espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido, ou ARPES, uma técnica padrão que emprega luz para excitar elétrons e fazê-los saltar da superfície de um material. Os elétrons ejetados são capturados, e sua energia e momento são medidos em um detector. Os cientistas podem então usar essas medições para calcular a energia e o momento dos elétrons no resto do material.

p "[ARPES] é maravilhoso e funcionou muito bem para superfícies, "Ashoori diz." O problema é, não há uma maneira direta de ver essas estruturas de banda nos materiais. "

p Além disso, O ARPES não pode ser usado para visualizar o comportamento do elétron em isoladores - materiais nos quais a corrente elétrica não flui livremente. ARPES também não funciona em um campo magnético, o que pode alterar muito as propriedades eletrônicas de um material.

p A técnica desenvolvida pela equipe de Ashoori começa onde ARPES termina e permite que os cientistas observem as energias dos elétrons e os momentos sob as superfícies dos materiais, inclusive em isoladores e sob um campo magnético.

p "Esses sistemas eletrônicos, por natureza, existem sob a superfície, e realmente queremos entendê-los, "Ashoori diz." Agora podemos obter essas imagens que nunca foram criadas antes. "

p Túnel através de

p A técnica da equipe é chamada de espectroscopia de tunelamento de momentum e energia resolvida, ou MERTS, e é baseado em tunelamento mecânico quântico, um processo pelo qual os elétrons podem atravessar as barreiras energéticas simplesmente aparecendo do outro lado - um fenômeno que nunca ocorre no macroscópico, mundo clássico que habitamos. Contudo, na escala quântica de átomos e elétrons individuais, efeitos bizarros como tunelamento podem ocorrer ocasionalmente.

p "Seria como se você estivesse em uma bicicleta em um vale, e se você não pode pedalar, você apenas rolaria para frente e para trás. Você nunca iria atravessar a colina para o próximo vale, "Ashoori diz." Mas com a mecânica quântica, talvez uma vez a cada alguns milhares ou milhões de vezes, você apenas apareceria do outro lado. Isso não acontece classicamente. "

p Ashoori e seus colegas empregaram túneis para sondar uma folha bidimensional de arsenieto de gálio. Em vez de brilhar a luz para liberar elétrons de um material, como os cientistas fazem com o ARPES, a equipe decidiu usar tunelamento para enviar elétrons.

p A equipe montou um sistema eletrônico bidimensional conhecido como poço quântico. O sistema consiste em duas camadas de arsenieto de gálio, separados por uma barreira fina feita de outro material, arsenieto de alumínio e gálio. Normalmente, em tal sistema, elétrons no arseneto de gálio são repelidos pelo arsenieto de alumínio e gálio, e não passaria pela camada de barreira.

p "Contudo, na mecânica quântica, de vez em quando, um elétron simplesmente passa, "Jang diz.

p Os pesquisadores aplicaram pulsos elétricos para ejetar elétrons da primeira camada de arseneto de gálio para a segunda camada. Cada vez que um pacote de elétrons passa pela barreira, a equipe conseguiu medir uma corrente usando eletrodos remotos. Eles também ajustaram o momento e a energia dos elétrons aplicando um campo magnético perpendicular à direção do túnel. Eles raciocinaram que os elétrons que conseguiam passar pela segunda camada de arseneto de gálio o faziam porque seus momentos e energias coincidiam com os dos estados eletrônicos dessa camada. Em outras palavras, o momento e a energia dos elétrons tunelando para o arsenieto de gálio eram os mesmos dos elétrons que residiam no material.

p Ao sintonizar pulsos de elétrons e registrar os elétrons que passaram para o outro lado, os pesquisadores foram capazes de mapear a energia e o momento dos elétrons dentro do material. Apesar de existir em um sólido e estar rodeado por átomos, esses elétrons às vezes podem se comportar como elétrons livres, embora com uma "massa efetiva" que pode ser diferente da massa do elétron livre. Este é o caso dos elétrons no arseneto de gálio, e a distribuição resultante tem a forma de uma parábola. A medição desta parábola dá uma medida direta da massa efetiva do elétron no material.

p Exótico, fenômenos invisíveis

p Os pesquisadores usaram sua técnica para visualizar o comportamento do elétron no arseneto de gálio sob várias condições. Em várias execuções experimentais, eles observaram "torções" na parábola resultante, que eles interpretaram como vibrações dentro do material.

p "Os átomos de gálio e arsênio gostam de vibrar em certas frequências ou energias neste material, "Ashoori diz." Quando temos elétrons em torno dessas energias, eles podem excitar essas vibrações. E pudemos ver isso pela primeira vez, nas pequenas torções que apareceram no espectro. "

p Eles também realizaram os experimentos em menos de um segundo, campo magnético perpendicular e foram capazes de observar mudanças no comportamento do elétron em determinadas intensidades de campo.

p "Em um campo perpendicular, as parábolas ou energias tornam-se saltos discretos, como um campo magnético faz os elétrons girarem em círculos dentro desta folha, "Ashoori diz.

p "Isso nunca foi visto antes."

p Os pesquisadores também descobriram que, sob certas intensidades de campo magnético, a parábola comum lembrava dois donuts empilhados.

p "Foi realmente um choque para nós, "Ashoori diz.

p Eles perceberam que a distribuição anormal era resultado da interação de elétrons com íons vibrando dentro do material.

p "Em certas condições, descobrimos que podemos fazer elétrons e íons interagirem tão fortemente, com a mesma energia, que se parecem com algum tipo de partículas compostas:uma partícula mais uma vibração juntas, "Jang diz.

p Elaborando mais, Ashoori explica que "é como um avião, viajando a uma certa velocidade, em seguida, atingindo a barreira sônica. Agora há essa coisa composta do avião e do estrondo sônico. E podemos ver esse tipo de explosão sônica - estamos atingindo essa frequência vibracional, e há alguma sacudida acontecendo lá. "

p A equipe espera usar sua técnica para explorar ainda mais exóticas, fenômenos invisíveis abaixo da superfície do material.

p "Prevê-se que os elétrons façam coisas engraçadas como aglomerados em pequenas bolhas ou listras, "Ashoori diz." Estas são coisas que esperamos ver com nossa técnica de tunelamento. E acho que temos o poder de fazer isso. "