Resumo interno:
- Cientistas do Berkeley Lab e da UC Berkeley capturaram com sucesso imagens diretas do cristal molecular Wigner, uma fase quântica recentemente identificada, usando uma técnica de imagem refinada que minimiza a perturbação das estruturas eletrônicas.
- A descoberta confirma as teorias de longa data dos cristais de Wigner, originalmente propostas pelo físico Eugene Wigner na década de 1930, que sugere que os elétrons podem formar arranjos estáveis e ordenados sob certas condições de baixa temperatura e densidade.
- Ao contrário dos primeiros cristais de Wigner, que exibem um padrão semelhante a um favo de mel, os cristais moleculares de Wigner consistem em “moléculas” de elétrons compostas de pares de elétrons em uma rede estruturada, fornecendo insights sobre as interações de elétrons que podem beneficiar a tecnologia quântica.
- Pesquisas futuras explorarão a manipulação da densidade eletrônica nesses cristais, com aplicações potenciais em simulações quânticas e outras áreas onde o comportamento dos elétrons é importante.
- Imagem: Imagens de microscópio de varredura se transformam em uma única molécula de Wigner. Crédito: Laboratório Berkeley
Pela primeira vez, os cientistas capturaram imagens diretas de uma nova fase quântica da matéria conhecida como cristal molecular de Wigner – uma estrutura que pode influenciar novas abordagens à tecnologia quântica. Liderado por pesquisadores do Berkeley Lab e da UC Berkeley, o estudo usou uma nova técnica de imagem para capturar essa estrutura eletrônica. Esta descoberta não apenas prova teorias de décadas sobre sólidos de elétrons, mas também abre a porta para o estudo de como essas estruturas de elétrons ordenadas interagem sob condições controladas.
Uma jornada para compreender os cristais Wigner
Nomeado em homenagem ao físico Eugene Wigner, o conceito do cristal Wigner remonta à década de 1930, conforme descrito em uma retrospectiva recente da Nature sobre a prática. Ao contrário dos elétrons comuns que cortam rapidamente a matéria, Wigner teorizou que os elétrons poderiam ser reduzidos para ficarem próximos uns dos outros sob certas condições baixas, em baixas temperaturas. Isso pode efetivamente criar um “gelo de elétrons” organizado feito de um arranjo de elétrons mantidos em um padrão de favo de mel. Durante quase 90 anos, os investigadores só puderam especular sobre a sua existência, até 2021, os desenvolvimentos liderados por Feng Wang e Michael Crommie forneceram evidências visuais dos cristais Wigner.
Pesquisas recentes levam esta descoberta um passo adiante, capturando imagens de uma fase quântica mais complexa: o cristal molecular de Wigner. Segundo a pesquisa, essa nova categoria é definida pelos padrões organizados de moléculas sintéticas formadas por pares de elétrons. “Somos os primeiros a ver esta nova fase quântica, que foi inesperada”, disse Wang, cientista do Berkeley Lab e professor de física da UC Berkeley. As descobertas, relatadas na Science, falam do potencial do cristal para melhorar a nossa compreensão das interações dos elétrons e suas aplicações na tecnologia quântica.
Método de digitalização permite visualização direta
Apesar de anos de pesquisa, a imagem direta dos cristais moleculares de Wigner nunca foi possível, principalmente porque os microscópios de varredura convencionais (STMs) são propensos a perturbar a estrutura eletrônica do cristal. Neste estudo, os cientistas do Berkeley Lab usaram uma nova técnica STM, ajustando o campo elétrico para minimizar a interferência e obter imagens de estruturas moleculares complexas com sucesso.
De acordo com o estudo, a equipe obteve essas imagens criando uma “superrede moiré de dissulfeto de tungstênio torcido (tWS₂)” – um nanomaterial feito de dissulfeto de tungstênio em duas camadas e disposto em um ângulo de 58 graus. Essa estrutura, combinada com nitreto de boro hexagonal e uma porta traseira de grafite, permitiu aos pesquisadores confinar os elétrons dentro das células de 10 nanômetros de largura. Cada molécula possui dois a três elétrons, que formam elétrons moiré organizados atomicamente que culminam em um cristal molecular de Wigner.
Cristais moleculares Wigner versus o cristal Wigner original
De acordo com o estudo, os cristais moleculares de Wigner são diferentes dos cristais Wigner originais, que apresentam um padrão de favo de mel. Nesta nova fase quântica, as “moléculas” de elétrons são compostas de dois ou mais elétrons presos dentro de moléculas individuais, formando uma rede ordenada de pares de elétrons. Essa configuração surge da interação entre a mecânica quântica e as interações elétron-elétron, inclusive conduzindo elétrons a esses estados estáveis. O estudo explica que a baixa temperatura da superrede moiré e a energia única são importantes para este sistema molecular, acrescentando uma nova dimensão à teoria original de Wigner.
Estas estruturas brilhantes não são apenas impressionantes, mas também cientificamente importantes. O arranjo ordenado dos elétrons pode revelar novas propriedades relacionadas ao transporte e spin de elétrons, que são muito importantes para o desenvolvimento da tecnologia quântica. Os pesquisadores esperam que a compreensão desses aspectos possa levar a melhorias nas simulações quânticas, onde a interação dos elétrons é central.
O futuro dos cristais Wigner na pesquisa quântica
Apesar do seu impacto imediato, a pesquisa mostra as possibilidades futuras dos cristais Wigner na pesquisa quântica. De acordo com Wang, refinar ainda mais a técnica STM pode ajudar a capturar mais detalhes sobre esta fase quântica, o que pode nos ajudar a entender como aproveitar o poder das interações eletrônicas de novas maneiras. Olhando para o futuro, a equipa de investigação também pretende explorar como a gestão da densidade electrónica nestes cristais pode afectar as suas propriedades. Estes próximos passos, apoiados pelo apoio do Gabinete de Ciência do Departamento de Energia e da National Science Foundation, podem revelar mais sobre este fenómeno fascinante e, indirectamente, fazer avançar a tecnologia quântica.
