Em 1934, o físico teórico Eugene Wigner propôs a existência de um novo tipo de cristal.
Se a densidade dos elétrons carregados negativamente pudesse ser mantida abaixo de um certo nível, as partículas subatômicas poderiam ser mantidas em um padrão repetitivo, criando um cristal eletrônico; essa ideia ficou conhecida como cristal de Wigner.
Muito mais fácil dizer do que fazer, no entanto. Os elétrons são complicados e é extremamente difícil mantê-los no lugar. No entanto, um grupo de físicos conseguiu isso – colocando pequenos grampos de cabelo entre um par de camadas de tungstênio semicondutor 2D.
Cristais comuns, como diamantes ou quartzo, são formados a partir de uma rede de átomos formando uma estrutura de rede fixa, tridimensional e repetitiva. De acordo com a ideia de Wigner, os elétrons poderiam ser dispostos de maneira semelhante para formar uma fase sólida cristalina, mas apenas se os elétrons fossem estacionários.
Se a densidade do elétron for baixa o suficiente, a repulsão de Coulomb entre elétrons de mesma carga cria energia potencial que deve dominar a energia cinética, deixando os elétrons estacionários. Essa é a dificuldade.
“Os elétrons são mecânicos quânticos. Mesmo que você não faça nada com eles, eles hesitam espontaneamente o tempo todo '', disse o físico Keen Fay Mak, da Universidade Cornell.
“Um cristal de elétrons teria, na verdade, tendência a derreter, porque é muito difícil manter os elétrons fixos em uma estrutura periódica.”
Portanto, as tentativas de criar cristais de Wigner dependem de uma espécie de armadilha de elétrons, como campos magnéticos poderosos ou transistores de um elétron, mas os físicos ainda não conseguiram uma cristalização completa. Em 2018, cientistas do MIT tentando criar um tipo de isolante, em vez disso, criaram um cristal de Wigner, mas seus resultados deixaram margem para interpretação.
(Departamento de Física da UCSD).
A armadilha MIT era uma estrutura de grafeno conhecida como superrede moiré, onde duas grades bidimensionais se sobrepõem com uma leve torção e padrões regulares maiores aparecem, como mostrado na imagem acima.
Agora, a equipe de Cornell, liderada pelo físico Yang Xu, adotou uma abordagem mais direcionada com sua própria superrede moiré. Para suas duas camadas semicondutoras, eles usaram dissulfeto de tungstênio (WS2) e disseleneto de tungstênio (WSe2) especialmente cultivados na Universidade de Columbia.
Quando sobrepostas, essas camadas formaram um padrão hexagonal, que permitiu aos cientistas controlar a mobilidade média dos elétrons em qualquer área moiré.
O próximo passo foi colocar cuidadosamente os elétrons em locais específicos na rede, usando cálculos para determinar o grau de preenchimento em que os vários locais de elétrons formariam cristais.
O último problema era como realmente ver se suas previsões estavam corretas observando os cristais de Wigner ou sua ausência.
“Para criar um cristal eletrônico, você precisa criar as condições certas e, ao mesmo tempo, eles reagem às influências externas”, disse Mack.
'Você precisa de uma boa maneira de pesquisá-los. Não os incomode muito examinando-os. '
Este problema foi resolvido usando camadas isolantes de nitreto de boro hexagonal. O sensor óptico foi colocado bem próximo (mas sem tocar) da amostra, a uma distância de apenas um nanômetro, separada por uma camada de nitreto de boro. Isso evitou a comunicação elétrica entre a sonda e a amostra, ao mesmo tempo que manteve proximidade suficiente para alta sensibilidade de detecção.
Dentro de uma superrede moiré, os elétrons são organizados em várias configurações de cristal, incluindo cristais Wigner triangulares, fases de faixa e dímeros.
Essa conquista é importante não apenas para o estudo de cristais eletrônicos. Os dados obtidos demonstram o potencial inexplorado de superredes moiré para pesquisas no campo da física quântica.
“Nosso estudo”, escreveram os pesquisadores em seu artigo, “estabelece as bases para o uso de superredes moiré para modelar problemas de múltiplos corpos quânticos, que são descritos pelo modelo bidimensional estendido de Hubbard ou modelos de spin com cargas de longo alcance – interações de carga e troca.”
A pesquisa está publicada na revista Nature.
Fontes: Foto: Estados isolantes em uma superrede que abriga elétrons. (Xu et al., Nature, 2020).
