Cientistas da Universidade de Princeton, nos EUA, visualizaram pela primeira vez o cristal de Wigner, uma forma de matéria composta apenas por elétrons, que se organizam em uma estrutura cristalina sem a necessidade de se unir a átomos. Essa conquista confirma uma teoria de 90 anos e pode levar à descoberta de novas fases quânticas da matéria. A novidade foi divulgada no último dia 10 de abril na revista Nature.
O cristal de Wigner foi observado em grafeno extremamente puro usando um microscópio de tunelamento de varredura. Essa descoberta oferece novas perspectivas sobre a natureza dos elétrons e poderá abrir portas para entender melhor a matéria quântica.
“Visualizar esse cristal nos permite não apenas observar sua formação, confirmando muitas de suas propriedades, mas também estudá-lo de maneiras que não eram possíveis no passado”, diz o autor sênior do estudo, Ali Yazdani, professor em Física na Universidade de Princeton e diretor do Centro de Materiais Complexos da universidade, em comunicado.
Em 1934, o físico húngaro-americano Eugene Wigner propôs a possibilidade de criar cristais formados exclusivamente por elétrons, controlando a força de repulsão, chamada repulsão de Coulomb, entre eles para organizar sua energia cinética. Entretanto, elétrons possuem cargas negativas e, na física polos iguais se repelem.
Daí porque Wigner propôs que a proeza teria que ser feita em baixas densidades e temperaturas. O físico também ficou conhecido por ganhar o Prêmio Nobel de Físcia em 1963, por seu trabalho em princípios de simetria quântica.
“Quando você pensa em um cristal, você normalmente pensa em uma atração entre átomos como uma força estabilizadora, mas este cristal se forma puramente devido à repulsão entre elétrons”, conta Yazdani.
Tentativas anteriores
Por décadas, o cristal de elétrons de Wigner permaneceu apenas como uma ideia teórica. Somente mais tarde, em experimentos a partir da década de 1970, cientistas conseguiram criar um cristal de elétrons “clássico”, mas distante do conceito de Wigner, em que eles se comportavam mais como partículas individuais do que como uma estrutura coesa.
Nas décadas de 1980 e 1990, os físicos descobriram como confinar o movimento dos elétrons em camadas atômicas finas usando semicondutores, e a aplicação de um campo magnético a essas camadas, pois fazia os elétrons se moverem em círculo, criando condições propícias para a cristalização. No entanto, esses experimentos não conseguiram observar diretamente o cristal de Wigner, apenas sugeriram sua existência.
Yazdani ressalta a importância de considerar que o que alguns cientistas interpretam como evidência de um cristal de Wigner pode ser o resultado de imperfeições ou estruturas frequentes nos materiais usados nos experimentos.
Essas imperfeições podem fazer com que elétrons fiquem presos e causem assinaturas experimentais que não se devem à formação de um cristal de Wigner, mas à interação dos elétrons com as imperfeições ou com a estrutura do material.
O processo da equipe até a descoberta
Com o objetivo de visualizar o cristal de Wigner, Yazdani e sua equipe utilizaram um microscópio de tunelamento de varredura (STM), usado para visualizar o mundo atômico e subatômico, e o material grafeno, conhecido por sua estrutura cristalina regular e alta condutividade elétrica.
A equipe preparou amostras extremamente puras de grafeno, livres de imperfeições, para eliminar qualquer possibilidade de cristalização de elétrons devido a defeitos no material. “Com nosso microscópio, podemos confirmar que as amostras estão sem nenhuma imperfeição atômica na estrutura do grafeno ou átomos estrangeiros em sua superfície em regiões com centenas de milhares de átomos”, explica o codiretor.
Os pesquisadores prepararam o grafeno puro exfoliando duas folhas de carbono em uma configuração chamada grafeno em camadas Bernal empilhadas (BLG, na sigla em inglês). Em seguida, resfriaram a amostra a temperaturas extremamente baixas, apenas uma fração acima do zero absoluto, e aplicaram um campo magnético perpendicular à amostra. Isso criou um sistema de gás de elétrons bidimensional dentro das finas camadas de grafeno, permitindo-lhes ajustar a densidade dos elétrons entre as duas camadas.
No experimento, os pesquisadores puderam ajustar a densidade de elétrons por área unitária, observando a transição de fase em que os elétrons passam de uma disposição desordenada para formar um cristal ordenado.
Esse fenômeno ocorre devido à repulsão natural entre os elétrons, que os mantém distantes e desordenados em baixas densidades. À medida que a densidade aumenta, os elétrons se aproximam, organizando-se em rede. Com o aumento adicional da densidade, o cristal se transforma em um líquido de elétrons.
“Eles [os elétrons] querem se empurrar para longe, mas ao mesmo tempo não podem estar infinitamente distantes devido à densidade finita. O resultado é que eles formam uma estrutura de grade regular, densamente compactada, com cada um dos elétrons localizados ocupando uma certa quantidade de espaço”, explica Minhao He, pesquisador pós-doutorado e coprimeiro autor do artigo, em nota.
Quando essa transição se formou, os pesquisadores foram capazes de visualizá-la usando o microscópio. “Nosso trabalho fornece as primeiras imagens diretas deste cristal. Provamos que o cristal realmente está lá e podemos vê-lo,” dizTsui.
A equipe observou que o cristal é triangular e pode ser ajustado com a densidade das partículas, concluindo que o cristal de Wigner é bastante estável em uma faixa muito longa. Essa descoberta é contrária ao que concluíram estudos anteriores. “O experimento provou que a estrutura é o resultado da pura repulsão entre os elétrons”, nota Yazdani.
O estudo também destaca que a equipe fez novas descobertas. Os pesquisadores desvendaram a localização de cada elétron na rede, a qual apresenta um certo “embaçamento” nas imagens, indicando uma posição de intervalo, onde os elétrons são confinados. Esse fenômeno, chamado de “movimento de ponto zero”, está relacionado ao princípio da incerteza de Werner Heisenberg e reflete a natureza quântica do cristal de Wigner.
Eles também estão investigando como o cristal de Wigner derrete e transita para outras fases líquidas exóticas de elétrons em um campo magnético, com o objetivo de visualizar essas fases da mesma forma que o cristal de Wigner foi observado.
Fonte: Revista Galileu/Foto: Universidade de Princeton
