Ali Yazdani / Princeton University
Imagem de um cristal de Wigner obtida com um microscópio de tunelamento
Uma equipa de investigadores usou um tipo especial de microscópio e dois pedaços de grafeno invulgarmente livres de imperfeições para captar imagens nítidas e diretas de um “cristal de Wigner” — uma estrutura feita inteiramente de eletrões.
É difícil convencer os eletrões a formar um cristal, e ainda mais difícil medir esta estrutura.
Mas, num novo estudo, os físicos conseguiram agora obter pela primeira vez imagens diretas de um “cristal de Wigner” — uma estrutura feita inteiramente de eletrões — e estas imagens são as mais nítidas de sempre.
Os resultados do estudo foram apresentados num artigo publicado na revista Nature.
“Foram escritos muitos artigos, literalmente centenas, sobre a descoberta de provas do cristal de Wigner de uma forma indireta”, diz Ali Yazdani, investigador da Universidade de Princeton e corresponding author do estudo. “E nunca pensámos que conseguiríamos obter imagens diretamente. Foi um pouco por acaso“.
À temperatura ambiente, os eletrões podem fluir juntos em correntes elétricas, porque a sua energia cinética supera a força que obriga partículas com a mesma carga elétrica a repelir-se umas às outras.
No entanto, a temperaturas muito baixas, as forças elétricas repulsivas vencem e os eletrões acabam por se organizar numa grelha uniforme, ou seja, num cristal.
O físico Eugene Wigner previu este fenómeno em 1934, mas só recentemente os investigadores começaram a compreender como criar cristais de Wigner em laboratório.
Yazdani e os seus colegas criaram o seu cristal de Wigner a partir de electrões no interior de duas folhas finas de grafeno, cada uma com apenas um átomo de espessura.
Para diminuir a energia cinética dos eletrões, colocaram o grafeno dentro de uma câmara frigorífica, que o arrefeceu a apenas alguns centésimos de grau acima do zero absoluto e mergulharam-no num forte campo magnético.
“Era crucial que o nosso grafeno tivesse muito poucas imperfeições onde os eletrões pudessem ficar presos. Caso contrário, as partículas poderiam formar um estado cristalino devido à estrutura dessas imperfeições, e não devido às interações entre si, como Wigner tinha previsto”, explica Yazdani, citado pela New Scientist.
Em experiências anteriores, os investigadores procuravam indícios de um cristal de Wigner tentando empurrar os eletrões para formar correntes: quando as partículas não conseguiam fluir, os investigadores podiam inferir que os eletrões estavam presos numa rede — uma evidência indireta da presença de um cristal de Wigner.
Mas a equipa de Yazdani obteve imagens diretas do seu cristal com um microscópio especial, que usou um efeito quântico chamado tunelamento.
O método implica passar uma ponta metálica extremamente afiada pela superfície do grafeno e, quando esta passa por cima de um eletrão, a partícula fez um túnel através entre a superfície e a ponta, criando uma pequena corrente elétrica.
Graças a estas correntes, os investigadores sabiam onde e com que densidade os eletrões estavam posicionados no interior do grafeno, o que lhes permitiu criar imagens precisas de um cristal de Wigner.
Nas suas imagens, Ali Yazdani e os seus colegas viram os eletrões situados nos vértices de triângulos repetidos, tal como Wigner previra.
Além disso, acompanharam a forma como a estrutura do cristal se alterava à medida que mudavam fatores como a temperatura, a intensidade do campo magnético e o número de electrões que continha, o que podiam fazer aplicando uma tensão elétrica ao material.
Sob estas condições variáveis, o cristal “fundiu-se” num fluido de elecrões exótico e incompressível, bem como num fluido onde os eletrões formavam riscas.
Estes estados fundidos são o que a equipa pretende visualizar a seguir. Alguns deles estão cheios de excitações parecidas com partículas, semelhantes aos eletrões, mas que transportam apenas uma fração da sua carga.
Yazdani espera agora obter também imagens da cristalização destas excitações.
