Depois de 86 anos, os físicos finalmente fizeram um cristal de elétron

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Em 1934, o físico teórico Eugene Wigner propôs um novo tipo de cristal.

Se a densidade dos elétrons carregados negativamente pudesse ser mantida abaixo de um certo nível, as partículas subatômicas poderiam ser mantidas em um padrão repetitivo para criar um cristal de elétrons; essa ideia veio a ser conhecida como cristal Wigner.

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No entanto, é muito mais fácil falar do que fazer. Os elétrons são inquietos e é extremamente difícil fazê-los pararem. No entanto, uma equipe de físicos agora conseguiu isso – prendendo os pirralhos pequenos e tortuosos entre um par de camadas semicondutoras de tungstênio bidimensionais.

Depois de 86 anos, os físicos finalmente fizeram um cristal de elétron
Estados de isolamento na superrede onde os elétrons são colocados. (Xu et al., Nature, 2020)

Cristais convencionais – como diamantes ou quartzo – são formados por uma rede de átomos dispostos em uma estrutura de grade repetitiva tridimensional fixa. 

De acordo com a ideia de Wigner, os elétrons poderiam ser dispostos de maneira semelhante para formar uma fase de cristal sólido, mas apenas se os elétrons estivessem estacionários.

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Se a densidade dos elétrons for baixa o suficiente, a repulsão de Coulomb entre elétrons da mesma carga produz energia potencial que deve dominar sua energia cinética, resultando em elétrons parados. É aí que reside a dificuldade.

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Foto: (Reprodução/ Internet)

As tentativas de criar cristais de Wigner, portanto, dependem de algum tipo de armadilha de elétrons, como campos magnéticos poderosos ou transistores de um elétron, mas a cristalização completa ainda escapou aos físicos até agora. 

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Em 2018, os cientistas do MIT que tentaram criar um tipo de isolante podem ter produzido um cristal de Wigner, mas seus resultados deixaram margem para interpretação.

Depois de 86 anos, os físicos finalmente fizeram um cristal de elétron
(USCD – Universidade de São Diego, departamento de física)

A armadilha do MIT era uma estrutura de grafeno conhecida como superrede moiré, onde duas grades bidimensionais são sobrepostas com uma ligeira torção e padrões regulares maiores emergem, como visto na imagem de exemplo acima.

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Agora, a equipe Cornell, liderada pelo físico Yang Xu, usou uma abordagem mais direcionada com sua própria superrede moiré. Para suas duas camadas semicondutoras, eles usaram dissulfeto de tungstênio (WS2) e disseleneto de tungstênio (WSe2) especialmente cultivados na Universidade de Columbia.

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Foto: (Reprodução/ Internet)

Dentro da superrede moiré, os elétrons são organizados em uma variedade de configurações de cristal, incluindo cristais Wigner triangulares, fases de faixa e dímeros.

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Essa conquista não tem implicações apenas no estudo de cristais de elétrons. Os resultados demonstram o potencial inexplorado de superredes moiré para pesquisas em física quântica.

Traduzido e adaptado por equipe Saibamais

Fonte: ScienceAlert

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