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. Crédito: Yen-Chen Tsui e equipe, Universidade de Princeton
Universidade de Princeton os pesquisadores detectam uma forma estranha de matéria que escapou da detecção direta por cerca de 90 anos.
Os elétrons – essas 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 no dia 11 de abrilº edição da revista Natureza, 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.
Insights teóricos e experimentos iniciais
“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, Distinguished University Professor James S. McDonnell em Física da 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.
O vídeo descreve os processos de fusão de um cristal Wigner de elétrons em fases líquidas de elétrons. À medida que a densidade eletrônica (\nu, uma medida do número de elétrons em um campo magnético, é controlada pela aplicação de tensões elétricas) aumenta, mais elétrons (locais azuis escuros) entram no campo de visão e uma estrutura periódica de uma rede triangular emerge. A estrutura periódica é primeiro fundida (perto de \nu = 0,334) onde o mapa mostra sinais homogêneos. E então reaparece em maior densidade \nu, e eventualmente derrete novamente (\nu = 0,414). Crédito: Yen-Chen Tsui, Universidade de Princeton
Avanços na pesquisa de cristais eletrônicos
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 realizada 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, na qual 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. Mas estas experiências nunca foram capazes de observar diretamente o cristal. Eles só foram capazes de sugerir sua existência ou inferir indiretamente a partir de como os elétrons fluem através do semicondutor.
Avanço em imagens diretas
“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 grafenoum material incrível que foi descoberto no século 21st século 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.
Desvendando a Natureza Quântica
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 fazer o 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 zero absoluto—e aplicou um campo magnético perpendicular à amostra, que criou um sistema bidimensional de elétrons gasosos 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.”
Explorando a estrutura cristalina e sua dinâmica
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 elétron localizado ocupando uma certa quantidade de espaço.”
Quando essa transição se formou, os pesquisadores conseguiram visualizá-la usando o STM. “Nosso trabalho fornece as primeiras imagens diretas desse cristal. Provamos que o cristal está realmente lá e podemos vê-lo”, disse Tsui.
Direções Futuras na Pesquisa Wigner Crystal
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 sua 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 “desfoque”, 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.
Referência: “Observação direta de um cristal Wigner induzido por campo magnético” por Yen-Chen Tsui, Minhao He, Yuwen Hu, Ethan Lake, Taige Wang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Michael P. Zaletel e Ali Yazdani, 10 de abril de 2024 , Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07212-7
A estudante de pós-graduação Yen-Chen Tsui, a pesquisadora de pós-doutorado Minhao He e Yuwen Hu, que obteve seu doutorado. do Departamento de Física de Princeton em 2023 e agora é pós-doutorado em Stanford, todos contribuíram igualmente para este trabalho. Outros colaboradores incluem, na Universidade da Califórnia-Berkeley, os físicos teóricos Ethan Lake, Taige Wang e o professor Michael Zaletel (também membro da Divisão de Ciência de Materiais do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley), e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais e Centro Internacional de Nanoarquitetura de Materiais, respectivamente.
O trabalho em Princeton foi apoiado principalmente pela doação DOE-BES DE-FG02-07ER46419 e pela iniciativa EPiQS da Fundação Gordon e Betty Moore, doações GBMF9469. Outro apoio para a infraestrutura experimental em Princeton foi fornecido pela NSF-MRSEC através do Centro de Materiais Complexos de Princeton NSF6 DMR-2011750, ARO MURI (W911NF-21-2-0147) e ONR N00012-21-1-2592.
A equipe também agradece a hospitalidade do Aspen Center for Physics, que é apoiado pela bolsa PHY-1607611 da National Science Foundation, onde parte deste trabalho foi realizada. O trabalho na UC Berkeley foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Escritório de Ciências Básicas de Energia, Divisão de Ciências de Materiais e Engenharia, sob o contrato nº DE-AC02-05CH11231, dentro do Programa de Heteroestruturas van der Waals (KCWF16).
