Novo estudo revela os mistérios dos cristais de elétrons

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Novo estudo revela os mistérios dos cristais de elétrons
Crédito: Yen-Chen Tsui / Princeton University.
Os elétrons, aquelas minúsculas partículas que giram em torno do centro dos átomos, têm sido estudados
pelos cientistas há mais de cem anos.
No entanto, eles ainda guardam segredos que podem nos surpreender.
Recentemente, um grupo de físicos da Universidade de Princeton fez uma descoberta emocionante sobre os
elétrons. Eles conseguiram obter o primeiro olhar direto para algo chamado de cristal Wigner. Este é um tipo
especial de matéria composta inteiramente de elétrons.
Publicado na revista Nature, esta descoberta confirma uma velha teoria que existe há 90 anos. A teoria
sugeria que os elétrons poderiam se organizar em um padrão semelhante ao cristal sem a necessidade de
se ligar aos átomos.
Esta pesquisa poderia abrir a porta para encontrar novos tipos de matéria que surgem quando os elétrons
trabalham juntos.
A ideia de um cristal Wigner vem de Eugene Wigner, professor de física em Princeton e ganhador do Prêmio
Nobel.
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Na década de 1930, ele teve a ideia inovadora de que os elétrons poderiam se organizar em uma formação
apertada devido ao seu esforço natural um do outro, especialmente em condições muito frias e quando eles
não estão muito lotados.
Al Yazdani, um dos principais físicos de Princeton, explicou que quando pensamos em cristais, geralmente
imaginamos que os átomos se unam porque se atraem.
Mas o cristal Wigner é diferente porque se forma apenas da repulsão ou do afastamento entre os elétrons.
Por muitos anos, essa ideia de um cristal de elétrons era apenas uma teoria. Não foi até muito mais tarde,
através de vários experimentos, que os cientistas começaram a ver que esta teoria poderia ser real.
Na década de 1970, experimentos com elétrons pulverizados em uma superfície de hélio mostraram que
eles poderiam agir rigidamente, como um cristal, mas estes ainda estavam longe dos verdadeiros cristais
Wigner imaginavam, que seguiriam as regras da física quântica em vez das regras da física clássica.
Os cientistas continuaram experimentando, especialmente nas décadas de 1980 e 1990, usando
semicondutores para prender elétrons em camadas finas, o que ajudou a criar condições para que esses
cristais se formassem.
No entanto, ver esses cristais diretamente foi um desafio. Eles só podiam adivinhar sua existência a partir da
forma como os elétrons se moviam através dos materiais.
Yazdani apontou que pesquisas anteriores podem ter confundido outros efeitos com o cristal Wigner por
causa de imperfeições nos materiais utilizados.
Para evitar isso, sua equipe usou uma amostra muito limpa de grafeno, uma forma de carbono descoberta
no século 21, conhecida por suas propriedades excepcionais para experimentos quânticos.
Os pesquisadores esfriaram seu grafeno em quase zero absoluto e aplicaram um campo magnético, o que
lhes permitiu controlar a densidade dos elétrons e observar como eles se comportavam.
Eles descobriram que, à medida que aumentavam a densidade, os elétrons, inicialmente espalhados,
começaram a empurrar uns contra os outros e formaram um padrão ordenado, como um cristal. Então, se
eles aumentassem ainda mais a densidade, a estrutura cristalina se dissolveria em um estado de líquido.
Este experimento mostrou, pela primeira vez, imagens diretas do cristal Wigner, provando sua existência. As
imagens revelaram que o cristal era triangular e estável em uma ampla gama de condições, desafiando
suposições anteriores sobre sua estabilidade.
Além disso, o experimento revelou algumas propriedades intrigantes do cristal. Por exemplo, os elétrons
pareciam um pouco embaçados nas imagens, sugerindo que eles não estavam presos em um ponto, mas se
moviam dentro de uma pequena área.
Este movimento é um efeito quântico, indicando que, mesmo em uma forma de cristal sólido, os elétrons
retêm parte de sua natureza ondulada e incerta.
Este avanço não só confirma uma teoria de longa data, mas também abre novos caminhos para explorar
outros estados misteriosos da matéria, onde os elétrons se comportam de maneiras incomuns e coletivas.
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A equipe de Princeton está animada para continuar seu trabalho, na esperança de descobrir mais sobre as
propriedades únicas dos cristais de elétrons e as várias fases da matéria que eles podem levar.
Os resultados da pesquisa podem ser encontrados na Nature.
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https://dx.doi.org/10.1038/s41586-024-07212-7