Físicos finalmente capturam o misterioso cristal Wigner após 90 anos: WebCuriosos

Os elétrons são pequenas coisas maravilhosas. Eles muitas vezes ficam orbitando núcleos atômicos, mas não são obrigados a fazê-lo – o Universo está cheio de elétrons soltos chacoalhando.

Noventa anos atrás, o físico teórico Eugene Wigner propôs que eles também não precisavam se preocupar: que os elétrons livres podem ser forçados a se unirem em um tipo peculiar de matéria que não possui nenhum átomo, apenas elétrons presos por sua própria repulsão em uma rede cristalina e organizada.

Isso é conhecido como cristal de Wigner, e os físicos finalmente obtiveram evidências observacionais diretas de que ele pode existir.

“O cristal Wigner é uma das fases quânticas da matéria mais fascinantes já previstas e objeto de numerosos estudos que afirmam ter encontrado, na melhor das hipóteses, evidências indiretas de sua formação”, disse ele. diz o físico Al Yazdani da Universidade de Princeton.

“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.”

Um cristal refere-se à maneira como os átomos podem ser organizados na matéria sólida. Em materiais cristalinos típicos, os átomos estão ligados uns aos outros de uma forma que forma um padrão repetitivo no espaço.

O artigo inovador de Wigner de 1934 propôs que os elétrons poderiam formar arranjos semelhantes, auxiliados – e não impedidos – pela repulsa mútua gerada pela carga negativa transportada por todos os elétrons.

Em temperaturas extremamente baixas e em baixas densidades, a interação repulsiva entre os elétrons deveria, teorizou ele, fazer com que sua energia potencial dominasse sua necessidade de se aproximar, fazendo com que eles caíssem em arranjos de rede semelhantes a cristais.

Esses cristais não se comportariam de acordo com a física clássica, mas com a mecânica quântica, com os elétrons ligados se comportando não como partículas discretas, mas como uma onda individual. Uma variedade de experimentos envolvendo sistemas bidimensionais projetados para detectar os resultados desse comportamento forneceram evidências indiretas de cristais de Wigner, mas evidências diretas têm sido um pouco mais difíceis de encontrar.

“Existem literalmente centenas de artigos científicos que estudam esses efeitos e afirmam que os resultados devem ser devidos ao cristal Wigner”, Diga Yazdani“mas não podemos ter certeza, porque nenhum desses experimentos realmente vê o cristal.”

Com as falhas destas experiências em mente, uma equipa liderada pelos físicos Yen-Chen Tsui, Minhao He e Yuwen Hu, da Universidade de Princeton, concebeu uma experiência que esperavam resolver problemas anteriores e revelar o cristal.

Eles usaram campos magnéticos para induzir um cristal Wigner de elétrons no grafeno, mas não qualquer grafeno antigo. O material deveria ser o mais puro possível, para eliminar quaisquer efeitos que pudessem ser gerados por imperfeições atômicas.

Duas folhas de grafeno foram preparadas e dispostas em uma configuração específica antes de serem resfriadas a apenas uma fração acima do zero absoluto. Um campo magnético foi então aplicado para ajustar a densidade do gás de elétrons imprensado entre as camadas.

O cristal Wigner tem um ponto ideal de densidade eletrônica. Se a densidade for muito baixa, os elétrons se afastarão e simplesmente se afastarão. Se a densidade for muito alta, os elétrons se aglomerarão formando um líquido eletrônico.

No ponto Cachinhos Dourados, os elétrons tentarão se repelir… mas sua fuga será interrompida por outros elétrons. Então eles vão se organizar em uma grade, mantendo o máximo de equidistância possível entre eles.

Para medir esta fase cristalina, os pesquisadores usaram microscopia de varredura por tunelamento de alta resolução (STM) para medi-lo. STM usa tunelamento quântico para sondar materiais em escala atômica, onde a microscopia óptica não consegue alcançar.

“Em nosso experimento, podemos visualizar o sistema à medida que ajustamos o número de elétrons por unidade de área. Apenas alterando a densidade, você pode iniciar essa transição de fase e descobrir que os elétrons se formam espontaneamente em um cristal ordenado,” Tsui explica.

“Nosso trabalho fornece as primeiras imagens diretas deste cristal. Provamos que o cristal realmente está lá e podemos vê-lo.”

As suas medições também confirmaram modelos que descrevem a rede como triangular quando confinada a um espaço 2D, embora tenham descoberto que ela pode permanecer estável à medida que a densidade é ajustada a um grau bastante elevado – contradizendo teorias anteriores de que a gama de densidade deve ser bastante pequena. Eles também descobriram que os elétrons não ocupam um único ponto na rede, mas uma gama confusa de posições descritas como movimento de ponto zero.

“Os elétrons, mesmo quando congelados em um cristal Wigner, devem exibir um forte movimento do ponto zero”, Diz Yazdani. “Acontece que este movimento quântico cobre um terço da distância entre eles, tornando o cristal Wigner um novo cristal quântico.”

As descobertas foram publicadas em Natureza.