Excitons são pares de elétrons e buracos dentro de um material sólido que juntos se comportam como uma única partícula. Há muito se suspeita que, quando muitos desses excitons existem no mesmo pedaço de matéria, eles podem formar um único estado quântico gigante chamado condensado de Bose-Einstein - o mesmo processo que é responsável por um metal perder toda a sua resistência elétrica quando se torna um supercondutor, por exemplo. Contudo, realmente provar que a condensação de Bose-Einstein de excitons ocorre em qualquer material real tem sido um desafio para os físicos por décadas. Um experimento feito na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, realizado em colaboração com o pesquisador Jasper van Wezel do UvA-Institute of Physics, descobriu evidências de que esse estado indescritível da matéria realmente existe. Seus resultados foram publicados em Ciência esta semana.
No início do século 20, os físicos descobriram que o mundo ao nosso redor consiste em dois tipos de partículas:bósons e férmions. A principal diferença entre essas partículas é como elas se comportam quando se tenta colocá-las no mesmo estado físico, com a mesma posição, a mesma velocidade, e assim por diante. Embora para dois férmions (como elétrons) seja fundamentalmente impossível estar exatamente no mesmo estado, dois ou mais bósons (como fótons, partículas de luz) podem estar no mesmo estado ao mesmo tempo sem problemas. Na verdade, em temperaturas baixas o suficiente, coleções de bósons irão preferir tal situação:as partículas têm a tendência de todas ocupar o mesmo estado, em um processo conhecido como condensação de Bose-Einstein.
Excitons
Para a maioria dos tipos de bósons, A condensação de Bose-Einstein ocorre em temperaturas muito baixas, perto da temperatura absoluta mínima de 273 graus abaixo de zero na escala Celsius. Uma exceção a essa regra pode ser o comportamento de excitons em um cristal. Excitons são combinações de elétrons carregados negativamente e os chamados buracos - a ausência de um elétron em algum lugar do cristal, levando a um excedente local de carga positiva. Pares de elétrons e lacunas podem ser unidos e se comportar como uma única partícula bosônica, o exciton.
Foi previsto na década de 1960 que, assim como outros bósons, excitons podem formar condensados de Bose-Einstein. Além disso, isso deve acontecer em temperaturas muito mais altas do que para a maioria das outras partículas - em teoria, pode acontecer até mesmo em temperatura ambiente. Uma vez que temperaturas mais altas são muito mais fáceis de alcançar em um ambiente de laboratório, excitons podem fornecer um ambiente acessível em que ambas as propriedades quânticas incomuns dos condensados de Bose-Einstein, bem como as propriedades materiais únicas que conferem aos cristais hospedeiros, pode ser investigado.
M-EELS
Apesar da temperatura relativamente alta em que o efeito descrito no Ciência artigo ocorre (apenas 100 graus centígrados ou mais abaixo da temperatura ambiente), e apesar da presença de excitons ter sido suspeitada por muitos anos, Provar, sem sombra de dúvida, que os excitons realmente formam um condensado de Bose-Einstein revelou-se surpreendentemente difícil. A principal razão é que existe um fenômeno físico diferente que é difícil de distinguir de um condensado de excitons de Bose-Einstein:a formação de um chamado estado de Peierls, onde os elétrons dentro de uma estrutura cristalina se organizam espontaneamente de forma ondulatória, com picos e vales alternados de densidade de elétrons. Essa onda tem muitas das mesmas características físicas esperadas para um condensado de excitons de Bose-Einstein.
Um novo experimento realizado na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, em colaboração com pesquisadores da Universidade de Oxford, e a Universidade de Amsterdã, agora mostrou que a técnica experimental recentemente desenvolvida de espectroscopia de perda de energia de elétron resolvida por momento (M-EELS para breve) permite distinguir assinaturas únicas de excitons condensados em um material chamado disseleneto de titânio. Esta técnica foi desenvolvida na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, e, pela primeira vez, permite aos pesquisadores medir as partículas bosônicas de baixa energia feitas de elétrons e buracos, independentemente de seu ímpeto. Com esta capacidade única, os pesquisadores conseguiram provar que os excitons no disseleneto de titânio aglomeram espontaneamente em um condensado de Bose-Einstein quando o material é resfriado abaixo de 100 graus centígrados abaixo da temperatura ambiente.
Essas medições, pela primeira vez, fornecem evidências convincentes do fato de que os excitons podem formar um condensado de Bose-Einstein relativamente alto, temperaturas facilmente acessíveis. Além disso, eles mostram que M-EELS é uma nova técnica poderosa e versátil com muitas aplicações futuras potenciais. Os resultados foram publicados em Ciência esta semana.
