Criado um cristal formado apenas por elétrons

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/11/2020

Empilhar duas camadas atômicas de semicondutores ligeiramente diferentes criou uma estrutura semelhante a um tecido ondulado, que conseguiu prender os elétrons e forçá-los a formar cristais.
[Imagem: Universidade de Cornell]

Cristalização eletrônica

Para formar os objetos, os átomos gostam de se unir uns aos outros, formando as chamadas redes cristalinas, os cristais que compõem a estrutura da maioria dos materiais com que interagimos no cotidiano.

Mas, em 1934, o físico Eugene Wigner propôs que seria possível criar cristais feitos apenas por elétrons. Para isso, calculou ele, bastaria fazer com que a força de repulsão, chamada repulsão de Coulomb, que faz os elétrons se afastarem uns dos outros - elétrons são cargas negativas e cargas iguais se repelem - fosse usada para controlar a energia cinética desses elétrons.

Nesse caso, seria teoricamente possível criar um cristal de elétrons. O problema é que isso exigiria colocar os elétrons em um campo magnético um milhão de vezes maior do que o campo magnético da Terra e controlá-los um por um.

Agora, Yang Xu e colegas de uma equipe dos EUA e do Japão conseguiram finalmente criar condições similares às previstas por Wigner, só que de forma muito mais simples, e demonstrar que é de fato possível criar um cristal de elétrons na prática.

Cristal de elétrons

Elétrons são criaturas agitadas e ficam sacudindo e se movendo de um lado para o outro mesmo que você não faça nada com eles e os isole o máximo possível das interferências ambientais.

Para controlá-los, Xu usou camadas monoatômicas de dois materiais semicondutores muito pesquisados para a eletrônica pós-silício, o dissulfeto de tungstênio (WS₂) e o disseleneto de tungstênio (WSe₂). Como cada um dos dois materiais possui uma constante de rede ligeiramente diferente, quando eles foram sobrepostos criou-se uma estrutura similar a um tecido ondulado.

Do ponto de vista dos elétrons, os átomos que estabelecem as fronteiras dos vales desse tecido ondulado formam padrões hexagonais, parecidos com favos de mel, onde então os elétrons podem se acomodar e ficar quietinhos por alguns momentos, já que a barreira de energia entre os vales impede que eles saiam.

Isso permitiu então ajustar os elétrons de tal forma que eles formassem os tão sonhados cristais.

A técnica permitiu à equipe observar numerosos cristais de elétrons com diferentes simetrias cristalinas, desde cristais de Wigner, com estrutura triangular, até cristais que se autoalinham em listras e dímeros.

A estrutura usada para criar os cristais de elétrons precisa incorporar também uma camada para medi-los sem perturbá-los.
[Imagem: Yang Xu et al. - 10.1038/s41586-020-2868-6]

Cristais de elétrons e cristais de fótons

Tudo dura muito pouco tempo e a equipe teve que desenvolver uma técnica especial para medir os cristais sem perturbar os elétrons, o que faz com que tudo se desmanche. Assim, a rigor não houve uma "cristalização", no sentido de criar uma estrutura estável, mas o experimento demonstrou de forma inequívoca que um dos ingredientes mais simples do mundo subatômico pode formar padrões complexos - desde que você os force a ficar parados por tempo suficiente.

"Um cristal de elétrons teria, na verdade, a tendência de derreter, porque é muito difícil manter os elétrons fixos em um padrão periódico," disse o professor Kin Mak, da Universidade de Cornell.

O próximo desafio agora é criar cristais de luz - criar uma "matéria óptica", com as partículas unidas apenas por luz, eles já conseguiram.

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