Físicos podem ter descoberto acidentalmente um novo estado da matéria

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Créditos: Hannah Moore / Northeastern University.

Traduzido de Julio Batista
Original de Laura Castañón, da , no Phys

Os seres humanos estudam a carga elétrica há milhares de anos, e os resultados desses estudos moldaram a civilização moderna. Nossa vida cotidiana depende de iluminação elétrica, smartphones, carros e computadores, de uma forma que as primeiras pessoas que observaram um choque estático ou um raio nunca poderiam ter imaginado.

Agora, os físicos da Northeastern University (Estados Unidos) descobriram uma nova maneira de manipular a carga elétrica. E as mudanças no futuro de nossa tecnologia podem ser monumentais.

“Quando esses fenômenos são descobertos, a imaginação é o limite”, diz Swastik Kar, professor associado de física. “Isso pode mudar a maneira como detectamos e comunicamos sinais. Também pode mudar a maneira como captamos as coisas e o armazenamos informações, além de possibilidades nas quais ainda fomos capazes de pensar”.

A capacidade de mover, manipular e armazenar elétrons é essencial para a grande maioria da tecnologia moderna, seja obtendo energia solar ou jogando Plants vs. Zombies em nosso celular. Em um artigo publicado na revista Nanoscale, os pesquisadores descreveram uma maneira de fazer os elétrons fazerem algo totalmente novo: distribuir-se uniformemente em um padrão cristalino e estacionário.

“Estou tentado a dizer que é quase como uma nova fase da matéria”, diz Kar. “Porque é puramente eletrônico”.

O fenômeno apareceu enquanto os pesquisadores realizavam experimentos com materiais cristalinos com apenas alguns átomos de espessura, conhecidos como materiais 2-D. Esses materiais são compostos de um padrão repetitivo de átomos, como um tabuleiro de xadrez sem fim, e são tão finos que seus elétrons só podem se mover em duas dimensões.

Juntar esses materiais ultrafinos pode criar efeitos incomuns, pois as camadas interagem em um nível quântico.

Kar e seus colegas estavam examinando dois desses materiais bidimensionais, o seleneto de bismuto e um dicalcogeneto de metal de transição, estando em camadas dispostas umas sobre as outras como folhas de papel. Foi quando as coisas começaram a ficar estranhas.

Os elétrons se repelem – tem carga negativa e se afastam de outras coisas com carga negativa. Mas não é isso que os elétrons nessas camadas estavam fazendo. Eles estavam formando um padrão estacionário.

“Em certos ângulos, esses materiais parecem formar uma maneira de compartilhar seus elétrons que acaba formando essa terceira rede geometricamente periódica”, diz Kar. “Um conjunto perfeitamente repetível de fusões eletrônicas puras que residem entre as duas camadas”.

No início, Kar presumiu que o resultado foi um erro. As estruturas cristalinas dos materiais bidimensionais são pequenas demais para serem observadas diretamente; portanto, os físicos usam microscópios especiais que disparam feixes de elétrons em vez de luz. À medida que os elétrons passam pelo material, eles interferem entre si e criam um padrão. O padrão específico (e a matemática) pode ser usado para recriar a forma do material 2-D.

O ilustre professor de física da Northeastern University Arun Bansil (à esquerda) e o professor associado de física Swastik Kar acidentalmente descobriram uma nova maneira de manipular a carga eletrônica. Créditos: Matthew Modoono / Northeastern University.

Quando o padrão resultante revelou uma terceira camada que não poderia vir de nenhuma das outras duas, Kar pensou que algo havia dado errado na criação do material ou no processo de medição. Fenômenos semelhantes já foram observados antes, mas apenas em temperaturas extremamente baixas. As observações de Kar estavam em temperatura ambiente.

“Você já andou por um pasto e viu uma macieira com mangas penduradas nele?” Kar pergunta. “É claro que pensamos que algo estava errado. Isso não poderia estar acontecendo”.

Mas, após repetidos testes e experimentos guiados pelo doutorando Zachariah Hennighausen, seus resultados permaneceram os mesmos. Havia um novo padrão no estilo de treliça de pontos carregados aparecendo entre os materiais 2-D. E esse padrão mudou com a orientação das duas camadas em um “sanduíche”.

Enquanto Kar e sua equipe trabalhavam na investigação experimental, Arun Bansil, professor de física da Northeastern University, e o doutorando Chistopher Lane estavam examinando as possibilidades teóricas para entender como isso poderia estar acontecendo.

Bonsil explica que os elétrons de um material estão sempre girando, à medida que são atraídos pelos núcleos de átomos com carga positiva e repelidos por outros elétrons com carga negativa. Mas, neste caso, algo sobre a maneira como essas cargas são dispostas é capaz de reunir elétrons em um padrão específico.

“Eles produzem essas regiões onde existem, explicando de maneira simples, ‘buracos’ na possível paisagem que forçam esses elétrons suficientemente a ponto de criar essas fusões de carga”, diz Bansil. “A única razão pela qual os elétrons se fundem é porque existe um possível buraco lá”.

Esses buracos, por assim dizer, são criados por uma combinação de fatores físicos e mecânicos quânticos, diz Bansil.

Quando dois padrões ou redes repetidas são deslocadas, eles se combinam para criar um novo padrão (você pode replicar isso em casa, sobrepondo de forma plana os dentes de dois pentes). Cada material 2D possui uma estrutura repetitiva, e os pesquisadores demonstraram que o padrão criado quando esses materiais são empilhados determina onde os elétrons acabarão.

“É aí que se torna favorável pela mecânica quântica para essas fusões”, diz Kar. “Está quase guiando esses poços de elétrons para permanecerem lá e em nenhum outro lugar. É fascinante”.

Embora a compreensão desse fenômeno ainda esteja no começo, ela tem o potencial de impactar o futuro da eletrônica, dos sistemas de captação e detecção e do processamento de informações.

“A emoção neste momento é poder demonstrar algo que as pessoas nunca pensaram que poderia existir à temperatura ambiente antes”, diz Kar. “E agora, o céu é o limite em termos de como podemos aproveitá-lo”.

Referência

  • Zachariah Hennighausen et al. Evidence of a purely electronic two-dimensional lattice at the interface of TMD/Bi2Se3 heterostructures, Nanoscale (2019). DOI: 10.1039/C9NR04412D