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Física & Química

Físicos conseguem criar cristal de elétrons

(Cornell University)

Em 1934, Eugene Wigner propôs uma estrutura semelhante a um cristal formada por elétrons. Chamamos-a de cristal de elétrons ou de cristal de Wigner. Wigner calculou – prevendo o mundo prático. Ele previu que quando as forças de repulsão dos elétrons dominassem e superassem a energia cinética deles, estruturas em cristais formariam-se.

Desde que Wigner propôs, cientistas por todo o mundo tentam criar o tal cristal, é há algumas evidências da criação experimental. No entanto, o novo trabalho realiza algo diferente. Não basta você criar. Além de criar, devemos observar os cristais. Então, os cientistas precisam buscar a forma mais estável possível. Em um novo estudo publicado na revista Nature, os cientistas buscam exatamente por isso.

Dificuldade em um cristal de elétrons

Ok, falar é fácil – mas vamos colocar em perspectiva um pouco da dificuldade de se criar cristais de Wigner. Os elétrons são bastante energéticos. No entorno de um átomo, por exemplo, eles se movem loucamente. Sabe aquelas crianças, que por mais que os pais chamem a atenção, não conseguem parar? Um elétron é exatamente assim, com  a diferença de que é muito mais difícil pará-lo.

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É por isso que a repulsão de Coulomb precisa superar a energia cinética. Vamos imaginar. Um cristal é uma estrutura onde os átomos se organizam em estruturas estáticas, ou seja, parados e organizados. Mas essas duas palavras não existem no mundo dos elétrons. Se conseguirmos elétrons o bastante, e suprimir a energia cinética, ao repelirem-se os elétrons se prende, e se organizam pelas forças. 

“Os elétrons são mecânicos quânticos. Mesmo que você não faça nada com eles, eles se movem espontaneamente o tempo todo“ diz em um comunicado Kin Fai Mak, professor associado na Universidade de Cornell. “Um cristal de elétrons tenderia, na verdade, a se desfazer, porque é muito difícil manter os elétrons fixos em um padrão periódico”.

“Você precisa atingir as condições certas para criar um cristal de elétron e, ao mesmo tempo, eles também são frágeis”, explica Mak. Ele completa: “Você precisa de uma boa maneira de sondá-los. Você realmente não quer perturbá-los significativamente ao sondá-los”.

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Superando desafios

Após quebrar a cabeça, então, os cientistas encontraram uma possível solução para o problema – elétrons organizados na forma bidimensional empilhados. E isso é consideravelmente simples se você empilhar placas bidimensionais de supercondutores. Com isso, cria uma estrutura tridimensional. Os cientistas utilizaram placas de dissulfeto de tungstênio (WS2) e disseleneto de tungstênio (WSe2).

(Xu et al., Nature, 2020).

Com as placas sobrepostas, os cientistas criaram um padrão hexagonal naquelas formas um tanto psicodélicas do efeito moiré. É por alguns efeitos com esse padrão que os cientistas prendem os elétrons em seu lugar, como descobriram em um estudo de alguns meses atrás.

Então, o físico Veit Elser, co-autor do estudo, calculou os diversos arranjos de elétrons possíveis, formando os mais diversos cristais. Para isso, ele calculou a razão de ocupação necessária para que uma estrutura cristalina se formasse de forma automática, apenas pelo efeito de aumento na força de repulsão, ou diminuição da energia cinética. 

A próxima dificuldade do trabalho seria observar sem interferir nos elétrons. Para isso, eles aproximaram um sensor óptico a um nanômetro de distância, com uma camada de nitreto de boro hexagonal, fabricado por cientistas Japoneses, separando as placas supercondutoras do sensor. Dessa forma, o sensor se aproximou o suficiente para observar, mas não o suficiente para interferir.

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Então os cientistas observaram diversos cristais de elétrons. Além disso, nem todos os cristais formaram-se iguais. Formaram-se, então, diversas estruturas diferentes, desde estruturas triangulares até linhas e estruturas cristalinas chamadas de dímeros. O trabalho, além de trazer uma observação promissora de algo antes apenas hipotético, trás novas soluções para experimentos quânticos relacionados à manipulação de elétrons, além de aplicações que os cientistas ainda nem imaginam

O estudo científico foi publicado na revista Nature. Com informações de Science Alert e Cornell University.

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É divulgador científico por paixão. Gradua-se em Física pela UFSCAR e atua principalmente na Ciencianautas e SoCientífica.

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