Yang Xu et al / Cornell University
Em vez de cristais tradicionais – formados por átomos – Eugene Wigner teve a ideia de criar cristais de eletrões. O conceito surgiu em 1934, mas até agora ainda nenhum físico tinha sido capaz de o executar.
Em 1934, Eugene Wigner teve uma ideia para a criação de um novo tipo de cristal, que ficou conhecida como o cristal Wigner – segundo o físico, se a densidade dos eletrões carregados negativamente pudesse ser mantida abaixo de um certo nível, as partículas subatómicas poderiam ser mantidas num padrão para criar um cristal de eletrões.
O facto é que os eletrões são partículas muito inquietas e é extremamente complicado fazer com que parem, tornando o processo muito difícil de realizar.
No entanto, um artigo publicado na revista Nature esta quarta-feira veio provar que isso foi possível – uma equipa de físicos conseguiu prender os eletrões entre um par de camadas semicondutoras de tungsténio bidimensionais.
De acordo com a Science Alert, os cristais convencionais – como diamantes ou quartzo – são formados a partir de uma rede de átomos dispostos numa estrutura repetitiva, tridimensional e fixa. O que significa, segundo Wigner, que caso os eletrões estivessem parados, poderiam ser dispostos de forma semelhante para formar um cristal sólido.
Além disso, se a densidade dos eletrões for baixa o suficiente, a repulsão de Coulomb entre eletrões da mesma carga produz energia potencial para dominar a sua energia cinética, resultando em eletrões parados.
“Os eletrões são mecânica quântica. Mesmo que não se faça nada, eles mexem-se espontaneamente durante o tempo todo”, disse Kin Fai Mak, um dos autores do artigo.
“Na verdade, um cristal de eletrões teria a tendência a derreter porque é muito difícil manter os eletrões fixos num padrão periódico”, acrescentou.
Para as duas camadas semicondutoras, a equipa liderada pelo físico Yang Xu usou dissulfeto de tungsténio (WS2) e diseleneto de tungsténio (WSe2). Quando sobrepostas, essas camadas produziam um padrão hexagonal, permitindo à equipa controlar a ocupação média de eletrões em qualquer local do padrão moiré.
Os eletrões foram, então, cuidadosamente colocados em locais específicos da rede, usando cálculos para determinar a taxa de ocupação na qual diferentes arranjos de eletrões formariam cristais. De seguida, a equipa tinha de observar se os cristais de Wigner se acabavam por formar.
“É preciso atingir as condições certas para criar um cristal de eletrões e, ao mesmo tempo, eles são frágeis”, disse Mak. “É necessária uma boa maneira de os analisar. Não os queremos perturbar significativamente enquanto o fazemos”, acrescentou.
Para resolver o problema, os cientistas colocaram um sensor ótico muito próximo da amostra, a uma distância de apenas um nanómetro, separados por uma camada isolante de nitreto de boro hexagonal – o que evitou a conexão elétrica entre o sensor e a amostra, enquanto mantinham proximidade suficiente para haver alta sensibilidade de deteção.
Esse mecanismo permitiu que a equipa investigasse a amostra de forma limpa e fizesse a deteção dos eletrões, que são organizados numa variedade de configurações de cristal no padrão moiré.
“O nosso estudo estabelece as bases para o uso de padrões moiré na simulação de problemas quânticos de muitos corpos que são descritos pelo modelo bidimensional de Hubbard ou modelos de spin com carga de longo alcance”, escreveram os autores no artigo.
