Função de onda do elétron demonstrada experimentalmente pela primeira vez

Com informações da UCSB - 25/02/2022

A função de onda reconstruída experimentalmente bate quase perfeitamente com as teorias.
[Imagem: J. B. Costello et al. - 10.1038/s41586-021-03940-2]

Função de onda de Bloch

Físicos conseguiram reconstruir de forma experimental pela primeira vez uma representação da natureza de onda do elétron.

Além da importância do experimento para a física - lembre-se que a função de onda é uma matemática que virou realidade - o trabalho pode ter aplicações no projeto e desenvolvimento de componentes eletrônicos e optoeletrônicos de última geração.

Como toda matéria, os elétrons podem se comportar como partículas ou como ondas. Um dos principais objetivos da física é entender como o movimento ondulatório dos elétrons através dos átomos dispostos periodicamente em um material sólido dá origem às propriedades eletrônicas e ópticas desses materiais, chamados cristalinos.

E, para entender tudo isso é necessário um conhecimento profundo da onda eletrônica.

"Ter tal compreensão é especialmente importante quando projetamos componentes que tiram proveito da natureza ondulatória do elétron," explicou Joseph Costello, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara.

Demonstração experimental da função de onda

O movimento ondulatório do elétron é descrito matematicamente pela chamada função de onda de Bloch. Batizadas em homenagem ao físico suíço Felix Bloch [1905-1983], que foi o primeiro a descrever o comportamento dos elétrons em sólidos cristalinos, essas funções de onda são complexas, tendo componentes reais e imaginários. Por isso, o valor da função de onda de Bloch de um elétron não pode ser medido diretamente.

A função de onda do elétron já havia sido fotografada, mas ninguém havia conseguido reconstruir uma.
[Imagem: Zhehao Ge/Frederic Joucken/Jairo Velasco Jr.]

Contudo, certas propriedades físicas relacionadas à função de onda podem ser observadas. A equipe explorou justamente este fato para calcular a função de onda Bloch de um sistema a partir dessas propriedades observáveis, trazendo finalmente a função de onda da matemática para a observação experimental direta.

Para isso, Costello e seus colegas usaram um poderoso laser de elétrons livres para criar um campo elétrico oscilatório dentro de um semicondutor - arsenieto de gálio (GaAs) - enquanto simultaneamente usavam um laser infravermelho de baixa intensidade para energizar seus elétrons. Sempre que um elétron é energizado - ou excitado - ele deixa para trás uma "lacuna" carregada positivamente. No GaAs, essas lacunas vêm em duas variedades, pesadas e leves, que se comportam como se fossem partículas com massas diferentes.

A equipe descobriu que, se criassem elétrons e lacunas no momento certo em relação às oscilações do campo elétrico, os componentes desses pares de quasipartículas (conhecidos coletivamente como éxcitons) se afastariam um do outro, desacelerariam, parariam e depois acelerariam um em direção um ao outro antes de colidir e recombinar.

No ponto de recombinação, as duas quasipartículas emitem um pulso de luz, conhecido como banda lateral, com uma certa energia característica. Essa emissão de banda lateral contém informações sobre as funções de onda dos elétrons, incluindo suas fases - ou seja, o grau em que as ondas são deslocadas umas em relação às outras.

Como as lacunas leves e pesadas aceleram em taxas diferentes no campo elétrico, suas respectivas funções de onda adquirem diferentes fases quânticas antes de se recombinarem com os elétrons. Graças a essa diferença de fase, suas funções de onda interferem para produzir a emissão final, que pode então ser medida. A interferência também determina a polarização da banda lateral final, que pode ser circular ou elíptica (mesmo que a polarização de ambos os lasers seja inicialmente linear).

No canto inferior direito, um laser de infravermelho próximo separa os dois elétrons (círculos vazios) dos dois tipos de lacunas (círculos sólidos). As cargas são aceleradas para longe umas das outras pelo campo elétrico flutuante do laser terahertz (onda cinza). O campo oscilante arrasta as cargas uma em direção à outra, que se recombinam emitindo dois flashes de luz. As trajetórias são representadas em uma dimensão do espaço com o tempo fluindo do canto inferior direito para o canto superior esquerdo.
[Imagem: Brian Long]

Dualidade onda-partícula quantificada

De acordo com Qile Wu, membro da equipe, essa relação simples entre interferência e polarização conecta a teoria da mecânica quântica fundamental a um experimento do mundo real por meio de um único parâmetro livre, que é um número com um valor real.

Esse parâmetro real descreve completamente a função de onda Bloch da lacuna que eles criaram no GaAs - é bom não esquecer que recentemente se demonstrou que os números complexos significam que a física quântica sempre terá uma parte imaginária.

"Podemos capturar esse parâmetro medindo a polarização da banda lateral e depois reconstruindo as funções de onda, que variam de acordo com o ângulo em que a lacuna se propaga no cristal," explicou Seamus O'Hara, outro membro da equipe.

Até agora, os físicos tinham que confiar em teorias com muitos parâmetros pouco compreendidos. "Então, se pudermos reconstruir com precisão as funções de onda de Bloch em uma variedade de materiais, isso servirá de base para o projeto e a engenharia de todos os tipos de coisas úteis e interessantes, como lasers, detectores e até algumas arquiteturas de computação quântica," disse Sherwin.

Para começar, a equipe irá aplicar sua técnica a diferentes materiais e outras quasipartículas exóticas, além dos éxcitons.

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