Elétrons dispostos em uma estrutura semelhante a um bolo de casamento, uma série concêntrica de anéis isolantes (vermelhos) e condutores (azuis), devido ao confinamento magnético no grafeno. A altura de cada camada representa a energia dos elétrons nessa camada. Crédito:C. Gutiérrez / NIST
Em um casamento de ciência quântica e física de estado sólido, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) usaram campos magnéticos para confinar grupos de elétrons a uma série de anéis concêntricos dentro do grafeno, uma única camada de átomos de carbono compactados.
Este bolo de casamento em camadas, "que aparece em imagens que mostram a estrutura do nível de energia dos elétrons, confirma experimentalmente como os elétrons interagem em um espaço estreitamente confinado de acordo com as regras da mecânica quântica há muito não testadas. As descobertas também podem ter aplicações práticas na computação quântica.
O grafeno é um material altamente promissor para novos dispositivos eletrônicos devido à sua resistência mecânica, sua excelente capacidade de conduzir eletricidade e seu ultrafino, estrutura essencialmente bidimensional. Por estas razões, os cientistas dão as boas-vindas a quaisquer novos insights sobre este material maravilhoso.
Os pesquisadores, que relatam suas descobertas na edição de 24 de agosto da Ciência , começaram seu experimento criando pontos quânticos - pequenas ilhas que agem como átomos artificiais - em dispositivos de grafeno resfriados a apenas alguns graus acima do zero absoluto.
Os elétrons orbitam pontos quânticos de maneira semelhante à maneira como essas partículas carregadas negativamente orbitam os átomos. Como degraus em uma escada, eles só podem ocupar níveis de energia específicos de acordo com as regras da teoria quântica. Mas algo especial aconteceu quando os pesquisadores aplicaram um campo magnético, que confinou ainda mais os elétrons orbitando o ponto quântico. Quando o campo aplicado atingiu uma força de cerca de 1 Tesla (cerca de 100 vezes a força típica de uma pequena barra magnética), os elétrons se juntaram mais e interagiram com mais força.
Como resultado, os elétrons se reorganizaram em um novo padrão:uma série alternada de anéis concêntricos condutores e isolantes na superfície. Quando os pesquisadores empilharam imagens dos anéis concêntricos registrados em diferentes níveis de energia de elétrons, a imagem resultante parecia um bolo de casamento, com a energia do elétron como a dimensão vertical.
A imagem de espectroscopia de tunelamento de varredura mostra que os elétrons confinados magneticamente são organizados em uma estrutura de níveis de energia semelhante a um bolo de casamento, conhecidos como níveis Landau, rotulado como ll (painel superior). Os elétrons confinados a esses níveis criam uma série de anéis isolantes e condutores dentro do grafeno (painel inferior). Crédito:NIST
Um microscópio de tunelamento de varredura, quais imagens surgem com resolução em escala atômica, registrando o fluxo de elétrons entre diferentes regiões da amostra e a ponta ultrassom da caneta do microscópio, revelou a estrutura.
"Este é um exemplo clássico de um problema - determinar como é o efeito combinado do confinamento espacial e magnético dos elétrons - que você resolve no papel quando é exposto pela primeira vez à mecânica quântica, mas que ninguém realmente viu antes, "disse o cientista e co-autor do NIST Joseph Stroscio." A chave é que o grafeno é um material verdadeiramente bidimensional com um mar exposto de elétrons na superfície, "ele acrescentou." Em experimentos anteriores usando outros materiais, pontos quânticos foram enterrados em interfaces de materiais, de modo que ninguém foi capaz de olhar dentro deles e ver como os níveis de energia mudam quando um campo magnético foi aplicado. "
Pontos quânticos de grafeno foram propostos como componentes fundamentais de alguns computadores quânticos.
"Como vemos esse comportamento começar em campos moderados de apenas cerca de 1 Tesla, isso significa que essas interações elétron-elétron terão que ser cuidadosamente contabilizadas ao considerar certos tipos de pontos quânticos de grafeno para computação quântica, "disse o co-autor do estudo Christopher Gutierrez, agora na University of British Columbia em Vancouver, que realizou o trabalho experimental no NIST com os co-autores Fereshte Ghahari e Daniel Walkup do NIST e da Universidade de Maryland.
Essa conquista também abre possibilidades para o grafeno agir como o que os pesquisadores chamam de "simulador quântico relativístico". A teoria da relatividade descreve como os objetos se comportam quando se movem na velocidade da luz ou perto dela. E os elétrons no grafeno possuem uma propriedade incomum - eles se movem como se não tivessem massa, como partículas de luz. Embora os elétrons no grafeno realmente viajem muito mais devagar do que a velocidade da luz, seu comportamento sem massa semelhante à luz lhes valeu o apelido de matéria "relativística". O novo estudo abre a porta para a criação de um experimento de mesa para estudar matéria relativística fortemente confinada.
As medições sugerem que os cientistas podem em breve encontrar estruturas ainda mais exóticas produzidas pelas interações de elétrons confinados a materiais de estado sólido em baixas temperaturas.
Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.
