Cristal quântico de elétrons congelados – o cristal Wigner – é visualizado pela primeira vez
Uma imagem de um cristal Wigner triangular obtido por um microscópio de tunelamento. Os pesquisadores revelaram um cristal indescritível que é formado puramente pela natureza repulsiva dos elétrons. Cada sítio (região circular azul) contém um único elétron localizado. Imagem de Yen-Chen Tsui e equipe, Universidade de Princeton. Crédito:Yen-Chen Tsui, Universidade de Princeton Os elétrons – as partículas infinitamente pequenas que se sabe que giram em torno dos átomos – continuam a surpreender os cientistas, apesar de mais de um século em que os cientistas os estudaram. Agora, os físicos da Universidade de Princeton ampliaram os limites da nossa compreensão destas minúsculas partículas ao visualizar, pela primeira vez, evidências diretas do que é conhecido como cristal de Wigner – um estranho tipo de matéria que é feito inteiramente de eletrões.
A descoberta, publicada na Nature, confirma uma teoria de 90 anos de que os elétrons podem se reunir em uma formação semelhante a um cristal, sem a necessidade de se unirem em torno dos átomos. A pesquisa poderia ajudar a levar à descoberta de novas fases quânticas da matéria quando os elétrons se comportam coletivamente.
"O cristal Wigner é uma das fases quânticas mais fascinantes da matéria já previstas e objeto de numerosos estudos que afirmam ter encontrado, na melhor das hipóteses, evidências indiretas de sua formação", disse Al Yazdani, da Distinguished University James S. McDonnell. Professor de Física na Universidade de Princeton e autor sênior do estudo. "A visualização deste cristal permite-nos não só observar a sua formação, confirmando muitas das suas propriedades, mas também podemos estudá-lo de uma forma que não era possível no passado."
Na década de 1930, Eugene Wigner, professor de física de Princeton e ganhador do Prêmio Nobel de 1963 por seu trabalho em princípios de simetria quântica, escreveu um artigo no qual propunha a ideia então revolucionária de que a interação entre os elétrons poderia levar ao seu arranjo espontâneo em uma configuração semelhante a um cristal, ou rede, de elétrons compactados. Isto só poderia ocorrer, teorizou ele, devido à sua repulsão mútua e sob condições de baixas densidades e temperaturas extremamente frias.
"Quando você pensa em um cristal, normalmente pensa em uma atração entre átomos como uma força estabilizadora, mas esse cristal se forma puramente por causa da repulsão entre os elétrons", disse Yazdani, que é o codiretor inaugural do Princeton Quantum Institute e diretor do Centro de Materiais Complexos de Princeton.
Por muito tempo, porém, o estranho cristal eletrônico de Wigner permaneceu no domínio da teoria. Somente após uma série de experimentos muito posteriores é que o conceito de cristal de elétrons passou de conjectura a realidade. A primeira delas foi conduzida na década de 1970, quando cientistas dos Laboratórios Bell, em Nova Jersey, criaram um cristal de elétrons “clássico” pulverizando elétrons na superfície do hélio e descobriram que eles respondiam de maneira rígida, como um cristal.
No entanto, os electrões nestas experiências estavam muito distantes uns dos outros e comportavam-se mais como partículas individuais do que como uma estrutura coesiva. Um verdadeiro cristal Wigner, em vez de seguir as leis familiares da física no mundo quotidiano, seguiria as leis da física quântica, nas quais os electrões agiriam não como partículas individuais, mas mais como uma única onda.
Isso levou a uma série de experimentos nas décadas seguintes que propuseram várias maneiras de criar cristais quânticos de Wigner. Esses experimentos avançaram muito nas décadas de 1980 e 1990, quando os físicos descobriram como confinar o movimento dos elétrons a camadas atomicamente finas usando semicondutores.
A aplicação de um campo magnético a tais estruturas em camadas também faz com que os elétrons se movam em círculo, criando condições favoráveis para a cristalização. No entanto, estas experiências nunca foram capazes de observar o cristal diretamente. Eles só foram capazes de sugerir sua existência ou inferir indiretamente a partir de como os elétrons fluem através do semicondutor. O vídeo descreve os processos de fusão de um cristal Wigner de elétrons em fases elétron-líquidas. Crédito:Universidade de Princeton “Existem literalmente centenas de artigos científicos que estudam estes efeitos e afirmam que os resultados devem ser devidos ao cristal Wigner”, disse Yazdani, “mas não podemos ter a certeza porque nenhuma destas experiências realmente vê o cristal”.
Uma consideração igualmente importante, observou Yazdani, é que o que alguns pesquisadores pensam ser evidência de um cristal Wigner pode ser o resultado de imperfeições ou outras estruturas periódicas inerentes aos materiais utilizados nos experimentos.
"Se houver alguma imperfeição ou alguma forma de subestrutura periódica no material, é possível capturar elétrons e encontrar assinaturas experimentais que não são devidas à formação de um cristal de Wigner ordenado e auto-organizado, mas devido a elétrons 'presos' perto de uma imperfeição ou preso por causa da estrutura do material", disse ele.
Com essas considerações em mente, Yazdani e sua equipe de pesquisa começaram a ver se conseguiriam obter imagens diretas do cristal Wigner usando um microscópio de varredura por tunelamento (STM), um dispositivo que depende de uma técnica chamada "tunelamento quântico" em vez de luz para visualizar o mundo atômico e subatômico.
Eles também decidiram usar o grafeno, um material incrível que foi descoberto no século 21 e tem sido usado em muitos experimentos envolvendo novos fenômenos quânticos. Para conduzir o experimento com sucesso, no entanto, os pesquisadores tiveram que tornar o grafeno o mais puro e desprovido de imperfeições possível. Isso foi fundamental para eliminar a possibilidade de formação de cristais de elétrons devido a imperfeições do material.
Os resultados foram impressionantes. “Nosso grupo conseguiu produzir amostras limpas sem precedentes que tornaram este trabalho possível”, disse Yazdani. “Com nosso microscópio podemos confirmar que as amostras não apresentam nenhuma imperfeição atômica na rede atômica do grafeno ou átomos estranhos em sua superfície em regiões com centenas de milhares de átomos.”
Para produzir grafeno puro, os pesquisadores esfoliaram duas folhas de carbono de grafeno em uma configuração chamada grafeno de bicamada empilhada por Bernal (BLG). Eles então resfriaram a amostra a temperaturas extremamente baixas – apenas uma fração de grau acima do zero absoluto – e aplicaram um campo magnético perpendicular à amostra, o que criou um sistema bidimensional de gás de elétrons dentro das finas camadas de grafeno. Com isso, eles poderiam ajustar a densidade dos elétrons entre as duas camadas.
"Em nosso experimento, podemos criar imagens do sistema à medida que ajustamos o número de elétrons por unidade de área", disse Yen-Chen Tsui, estudante de graduação em física e primeiro autor do artigo. "Apenas alterando a densidade, você pode iniciar esta transição de fase e descobrir que os elétrons se formam espontaneamente em um cristal ordenado."
Isso acontece, explicou Tsui, porque em baixas densidades, os elétrons estão distantes uns dos outros – e estão situados de forma desordenada e desorganizada. No entanto, à medida que aumenta a densidade, o que aproxima os eletrões, as suas tendências repulsivas naturais entram em ação e eles começam a formar uma rede organizada. Então, à medida que você aumenta ainda mais a densidade, a fase cristalina se funde em um líquido eletrônico.
Minhao He, pesquisador de pós-doutorado e coautor do artigo, explicou esse processo com mais detalhes. "Há uma repulsão inerente entre os elétrons", disse ele. "Eles querem se afastar, mas enquanto isso, os elétrons não podem estar infinitamente separados devido à densidade finita. O resultado é que eles formam uma estrutura de rede regularizada e compactada, com cada um dos elétrons localizados ocupando uma certa quantidade do espaço."
Quando essa transição se formou, os pesquisadores conseguiram visualizá-la usando o STM. "Nosso trabalho fornece as primeiras imagens diretas deste cristal. Provamos que o cristal realmente está lá e podemos vê-lo", disse Tsui.
No entanto, apenas visualizar o cristal não foi o fim do experimento. Uma imagem concreta do cristal permitiu-lhes distinguir algumas das características do cristal. Eles descobriram que o cristal tem configuração triangular e que pode ser continuamente sintonizado com a densidade das partículas. Isto levou à conclusão de que o cristal Wigner é, na verdade, bastante estável num intervalo muito longo, uma conclusão que é contrária ao que muitos cientistas supuseram.
"Ao ser capaz de ajustar continuamente a constante de rede, o experimento provou que a estrutura cristalina é o resultado da pura repulsão entre os elétrons", disse Yazdani.
Os investigadores também descobriram vários outros fenómenos interessantes que sem dúvida merecerão uma investigação mais aprofundada no futuro. Eles descobriram que a localização em que cada elétron está localizado na rede aparece nas imagens com uma certa quantidade de "borrão", como se a localização não fosse definida por um ponto, mas por uma posição de alcance na qual os elétrons estão confinados na rede. . O artigo descreveu isso como o movimento dos elétrons no "ponto zero", um fenômeno relacionado ao princípio da incerteza de Heisenberg. A extensão desta indefinição reflete a natureza quântica do cristal Wigner.
“Os elétrons, mesmo quando congelados em um cristal Wigner, devem exibir um forte movimento do ponto zero”, disse Yazdani. "Acontece que este movimento quântico cobre um terço da distância entre eles, tornando o cristal Wigner um novo cristal quântico."
Yazdani e sua equipe também estão examinando como o cristal Wigner derrete e faz a transição para outras fases líquidas exóticas de elétrons em interação em um campo magnético. Os pesquisadores esperam obter imagens dessas fases da mesma forma que fizeram com o cristal Wigner.
