Os elétrons são pequenas coisas maravilhosas. Freqüentemente, eles orbitam em torno de núcleos atômicos, mas não é necessário, o universo está cheio de elétrons soltos vagando por todo o lugar.
Noventa anos atrás, o físico teórico Eugene Wigner descobriu Sugira E também não precisavam de tagarelar: que os electrões livres poderiam agrupar-se num tipo estranho de matéria que não continha quaisquer átomos, apenas electrões presos pela sua própria repulsão numa elegante rede cristalina.
Isso é conhecido como cristal de Wigner, e os físicos finalmente obtiveram evidências observacionais diretas de que ele poderia existir.
“O cristal Wigner é uma das fases quânticas da matéria mais fascinantes já previstas e objeto de numerosos estudos que afirmam ter encontrado, na melhor das hipóteses, evidências indiretas de sua formação.” Diz o físico Yazdani Da Universidade de Princeton.
“A visualização deste cristal não só nos permite observar a sua formação e confirmar muitas das suas propriedades, mas também podemos estudá-lo de formas que não conseguimos estudá-lo no passado.”
Cristalinidade refere-se à maneira como os átomos podem ser organizados em um sólido. Em materiais cristalinos típicos, os átomos estão ligados uns aos outros de tal forma que formam um padrão repetitivo no espaço.
O artigo pioneiro de Wegener, em 1934, propôs que os elétrons poderiam formar arranjos semelhantes, apoiados – e não impedidos – pela repulsão mútua resultante da carga negativa transportada por todos os elétrons.
Em temperaturas e densidades muito baixas, a interação repulsiva entre os elétrons, argumenta ele, faz com que sua energia potencial domine sua necessidade de amplificação, fazendo com que caiam em arranjos de rede semelhantes a cristais.
Esses cristais não se comportarão de acordo com a física clássica, mas sim de acordo com a mecânica quântica, onde os elétrons ligados não se comportam como partículas separadas, mas como uma única onda. Uma variedade de experimentos envolvendo sistemas bidimensionais projetados para detectar as consequências desse comportamento conseguiram obter evidências indiretas da existência de cristais de Wegener, mas evidências diretas têm sido um pouco mais difíceis de obter.
“Existem centenas de artigos científicos estudando esses efeitos e afirmando que os resultados devem ser devidos à cristalização de Wigner.” Yazdani diz“Mas não podemos ter certeza, porque nenhum desses experimentos conseguiu realmente ver o cristal.”
Com as desvantagens de tais experimentos em mente, uma equipe liderada pelos físicos Yin Zhen Cui, Minhao He e Yuen Hu, da Universidade de Princeton, projetou um experimento que eles esperavam que resolvesse os problemas anteriores e revelasse o cristal.
Eles usaram campos magnéticos para induzir a cristalização de elétrons de Wigner no grafeno, mas não em qualquer grafeno antigo. O material deveria ser o mais puro possível, para eliminar quaisquer efeitos que pudessem surgir de defeitos atômicos.
Duas folhas de grafeno foram preparadas e dispostas em uma configuração específica antes de serem resfriadas acima do zero absoluto. Um campo magnético foi então aplicado para ajustar a densidade do gás de elétrons preso entre as camadas.
O cristal Wigner contém um ponto ideal com densidade eletrônica. Se a densidade for muito baixa, os elétrons se afastarão e se afastarão. Se a densidade for muito alta, os elétrons se aglomerarão para formar o e-líquido.
No ponto Cachinhos Dourados, os elétrons tentarão se repelir… mas sua fuga será interrompida por outros elétrons. Assim, eles se organizarão em uma grade, mantendo a maior distância possível entre eles.
Para medir esta fase cristalina, os pesquisadores usaram microscopia de varredura por tunelamento de alta resolução (STM) para medi-lo. STM usa tunelamento quântico para explorar materiais em nível atômico, onde a microscopia óptica é completamente inacessível.
“Em nosso experimento, podemos criar imagens do sistema enquanto ajustamos o número de elétrons por unidade de área. Somente alterando a densidade você pode iniciar essa transição de fase e descobrir que os elétrons se formam espontaneamente em um cristal ordenado.” Tsui explica.
“Nosso trabalho fornece as primeiras imagens diretas deste cristal. Provamos que o cristal realmente existe e podemos vê-lo.”
Suas medições também confirmaram modelos que descrevem a rede como triangular quando confinada a um espaço bidimensional, embora tenham descoberto que ela pode permanecer estável onde a densidade é ajustada em um grande grau – o que contradiz teorias anteriores de que a faixa de densidade deve ser muito pequena. . Eles também descobriram que os elétrons não ocupam um único ponto na rede, mas sim um conjunto difuso de posições descritas como Movimento do ponto zero.
“Os elétrons, mesmo quando congelados em um cristal Wigner, deveriam apresentar forte movimento no ponto zero.” Yazdani diz. “Acontece que esse movimento quântico cobre um terço da distância entre eles, tornando o cristal Wigner um novo cristal quântico.”
Os resultados foram publicados em natureza.
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