Físicos Desenvolvem um ‘Cristal Wigner’ Incomum feito Simplesmente de Electrões

Em 1934, Eugene Wigner, um pioneiro da mecânica quântica, teorizou sobre um tipo estranho de matéria — um cristal feito de eletrões. A ideia era muito direta, provando que não era. Com sucesso limitado, os físicos tentaram muitos truques ao longo de oitenta anos para empurrar os eletrões diretamente para a formação dos chamados cristais de Wigner. No entanto, em junho, duas equipes independentes de físicos relataram na Nature um dos monitorados experimentais mais diretos de cristais de Wigner até então.

“A cristalização de Wigner é uma ideia bastante antiga”, afirmou Brian, um físico da Ohio State University que não esteve envolvido no estudo. “Ver isso tão claramente foi realmente bom.”

Para conduzir os eletrões para formar um cristal de Wigner, pode parecer que um físico precisaria resfriá-los. Os eletrões se repelem; portanto, o resfriamento diminuiria a sua energia e os congelaria numa rede semelhante aquando a água se transforma em gelo. No entanto, os eletrões frios obedecem às estranhas leis da mecânica quântica — eles se comportam como ondas. Ao contrário de serem organizados numa grade bem ordenada, os eletrões em forma de onda tendem a se espalhar e colidir com os seus vizinhos. O que deveria ser um cristal torna-se algo muito mais parecido com uma poça.

Por acidente, uma das equipas responsáveis ​​pelo novo trabalho quase encontrou um cristal Wigner. Num grupo liderado por Hongkun Park na Universidade de Harvard, pesquisadores experimentaram o comportamento do eletrão em um “sanduíche” de folhas extremamente finas de um semicondutor separadas por um produto através do qual os eletrões não podem se mover. Os físicos resfriaram esse sanduíche semicondutor abaixo de — 230 graus Celsius e fizeram experiências com o número de eletrões em cada camada.

O grupo observou que, quando havia um determinado número de eletrões em cada camada, todos eles ficavam estranhamente parados. “De alguma forma, os eletrões nos semicondutores ficaram estagnados. Esta foi uma descoberta inesperada”, afirmou You Zhou, autor principal do novo estudo.

Zhou compartilhou as suas descobertas com colegas teóricos, que em algum momento se lembraram de um antigo conceito de Wigner. Wigner calculou que os eletrões num material bidimensional plano sem dúvida assumiriam um padrão comparável a um piso inteiramente coberto por ladrilhos triangulares. este cristal impediria completamente o movimento dos eletrões.

No cristal de Zhou, as forças repulsivas entre os eletrões em cada camada e entre as camadas interagiram para organizar os eletrões na grade triangular de Wigner. Essas forças foram poderosas o suficiente para impedir que o eletrão se espalhasse e espirrasse, previsto por técnicos quânticos. No entanto, esse comportamento acontecia apenas quando a quantidade de eletrões em cada camada era tal que as grades de cristal superior e inferior se alinhavam: triângulos menores numa camada precisavam preencher especificamente o espaço nos maiores na outra. Park chamou as proporções de eletrões que resultaram nessas condições de “sinais mortos dos cristais de Wigner de bicamada”.

Depois que eles reconheceram terem um cristal Wigner nas suas mãos, o grupo de Harvard o fez derreter, levando os eletrões a aceitar a sua natureza de onda quântica à força. O derretimento do cristal de Wigner é uma transição de fase quântica — semelhante ao gelo que se torna água, no entanto, sem aquecimento envolvido. Os teóricos previram previamente os requisitos essenciais para o processo, mas o novo experimento é o primeiro a validá-lo por medições diretas. “Foi realmente emocionante ver o que aprendemos com livros e documentos em dados experimentais”, afirmou Park.

Experimentos anteriores encontraram dicas de cristalização de Wigner; no entanto, os novos estudos fornecem a prova mais direta como resultado de uma nova técnica experimental. Os pesquisadores banharam as camadas semicondutoras com luz laser para produzir uma entidade como uma partícula chamada exciton. O produto certamente refletiria ou reemitiria essa luz. Ao analisar a luz, os cientistas podem determinar se os excitons interagiram com eletrões normais de fluxo livre ou eletrões congelados num cristal de Wigner. “Temos prova direta de um cristal Wigner”, disse Park. “Você pode ver que é um cristal que tem essa estrutura triangular.”

O segundo grupo de pesquisa, liderado por Ataç Imamoğlu do Instituto Federal Suíço de Inovação de Zurique, também utilizou esse método para observar a formação de um cristal de Wigner.

O novo trabalho lança uma luz sobre o conhecido problema de muitos elétrons em interação. Quando você coloca muitos eletrões num espaço pequeno, todos eles se empurram e, também, torna-se impossível acompanhar todas as forças mutuamente interligadas.

De acordo com Philip Phillips, físico da Universidade de Illinois, Urbana-Champaign, que não participou do experimento, os cristais de Wigner são um arquétipo de todos esses sistemas. Ele observou que o único problema envolvendo eletrões e forças elétricas que os físicos sabem como consertar com uma simples caneta e papel é um único eletrão no átomo de hidrogénio. Em átomos com mais de um eletrão, o problema de prever o que os eletrões em interação certamente farão acaba sendo inflexível. A questão de vários eletrões interagindo há muito tempo é considerada uma das mais desafiadoras da física.

Para o futuro, a equipa de Harvard planeja utilizar o seu sistema para resolver questões impressionantes sobre os cristais de Wigner e eletrões fortemente correlacionados. Uma questão em aberto é o que acontece, especificamente, quando o cristal de Wigner derrete; abundam as teorias conflitantes. Além disso, a equipa observou cristais de Wigner no seu sanduíche semicondutor em temperaturas maiores e por um número maior de eletrões do que os teóricos previam. Examinar por que isso acontecia poderia trazer novos entendimentos sobre o comportamento do eletrão altamente associado.

Eugene Demler, um teórico de Harvard que acrescentou aos dois novos estudos, pensa que o trabalho esclarecerá antigos debates académicos e influenciará novas investigações. “Sempre é muito mais fácil trabalhar com um problema quando se busca as soluções no final de uma publicação”, afirmou. “E também ter mais experimentos é como buscar a resposta.”

Publicado originalmente na Revista Quanta . Leia o artigo original.