A excitação evasiva, cuja existência não pôde ser provada experimentalmente por quase meio século, finalmente se mostrou aos pesquisadores. Isso é relatado em um artigo que uma equipe de pesquisa liderada por Peter Abbamonte publicou na revista Science.
Vamos relembrar isso em poucas palavras. É conveniente descrever o movimento dos elétrons em um semicondutor usando o conceito de um buraco - um lugar onde um elétron está faltando. O buraco, é claro, não é uma partícula como um elétron ou um próton. No entanto, ele se comporta como uma partícula de várias maneiras. Por exemplo, você pode descrever seu movimento e considerar que ele carrega uma carga elétrica positiva. Portanto, objetos como um buraco são chamados de quasipartículas pelos físicos.
Existem outras quasipartículas na mecânica quântica. Por exemplo, um par de Cooper: um dueto de elétrons se movendo como um todo. Existe também uma quase-partícula de exciton, que é um par de um elétron e um buraco.
Excitons foram teoricamente previstos na década de 1930. Muito mais tarde, eles foram descobertos experimentalmente. No entanto, nunca antes foi observado um estado da matéria conhecido como exciton.
Deixe-nos explicar do que estamos falando. Tanto as partículas reais quanto as quasipartículas são divididas em duas grandes classes: férmions e bósons. Os primeiros incluem, por exemplo, prótons, elétrons e nêutrons, os últimos - fótons.
Os férmions obedecem a uma lei física conhecida como princípio de exclusão de Pauli: dois férmions no mesmo sistema quântico (por exemplo, dois elétrons em um átomo) não podem estar no mesmo estado. A propósito, é graças a essa lei que os elétrons no átomo ocupam orbitais diferentes e não são reunidos por toda a multidão no nível de energia inferior mais "conveniente". Portanto, é precisamente por causa do princípio de Pauli que as propriedades químicas dos elementos da tabela periódica são como os conhecemos.
A proibição de Pauli não se aplica aos bósons. Portanto, se for possível criar um único sistema quântico de muitos bósons (como regra, isso requer uma temperatura extremamente baixa), então toda a empresa se acumula felizmente no estado com a energia mais baixa.
Esse sistema é às vezes chamado de condensado de Bose. Seu caso especial é o famoso condensado de Bose-Einstein, onde átomos inteiros atuam como bósons (também escrevemos sobre esse fenômeno notável). Por sua descoberta experimental, o Prêmio Nobel de Física de 2001 foi concedido.
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A já mencionada quasipartícula de dois elétrons (par de Cooper) não é um férmion, mas um bóson. A formação massiva de tais pares leva a um fenômeno notável como a supercondutividade. A unificação dos férmions em um bóson de quase-partícula deve seu aparecimento à superfluidez no hélio-3.
Os físicos há muito sonham em obter esse condensado de Bose em um cristal tridimensional (e não em uma película fina), quando os elétrons se combinam maciçamente com buracos para formar excitons. Afinal, excitons também são bósons. É esse estado da matéria que se denomina excitonia.
É extremamente interessante para os cientistas, como qualquer estado em que volumes macroscópicos de matéria exibam propriedades exóticas que só podem ser explicadas usando a mecânica quântica. No entanto, não foi possível obter esse estado experimentalmente até o momento. Em vez disso, não foi possível provar que foi recebido.
O fato é que, em termos daqueles parâmetros passíveis de investigação por meio de técnicas existentes (por exemplo, a estrutura de uma superrede), as excitonias são indistinguíveis de outro estado da matéria, conhecido como fase de Peierls. Portanto, os cientistas não puderam dizer com certeza qual das duas condições eles conseguiram obter.
Este problema foi resolvido pelo grupo Abbamonte. Os pesquisadores aperfeiçoaram uma técnica experimental conhecida como espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS).
No decorrer desse tipo de pesquisa, os físicos bombardeiam a matéria com elétrons, cuja energia está em uma faixa estreita anteriormente conhecida. Depois de interagir com a amostra, o elétron perde parte de sua energia. Medindo quanta energia certos elétrons perderam, os físicos tiram conclusões sobre a substância em estudo.
Os autores foram capazes de adicionar informações a esta técnica. Eles descobriram uma maneira de medir não apenas a mudança na energia de um elétron, mas também a mudança em seu momento. Eles nomearam o novo método M-EELS (a palavra em inglês para momentum significa “impulso”).
Os cientistas decidiram testar sua inovação em cristais de dicloro-hidrato de dichalcogeneto de titânio (1T-TiSe2). Para sua surpresa, em temperaturas próximas a 83 graus Celsius negativos, eles encontraram sinais claros de um estado anterior à formação do excitônio - a chamada fase dos plasmons moles. Os resultados foram reproduzidos em cinco cristais diferentes.
“Este resultado tem um significado cósmico”, disse Abbamonte em um comunicado à imprensa. “Desde que o termo 'excitonia' foi cunhado nos anos 1960 pelo físico teórico de Harvard Bert Halperin, os físicos têm tentado demonstrar sua existência. Os teóricos debateram se seria um isolante, um condutor ideal ou um superfluido - com alguns argumentos convincentes de todos os lados. Desde a década de 1970, muitos experimentadores publicaram evidências da existência de excitonia, mas seus resultados não foram evidências conclusivas e foram igualmente atribuídos a transições de fase estruturais tradicionais.”
É muito cedo para falar sobre as aplicações do excitônio em tecnologia, mas o método desenvolvido pelos cientistas permitirá investigar outras substâncias para buscar esse estado exótico e estudar suas propriedades. No futuro, isso pode levar a avanços técnicos significativos. Basta lembrar, por exemplo, que foi a descoberta da supercondutividade que permitiu aos engenheiros criar ímãs superfortes. E eles deram ao mundo o Grande Colisor de Hádrons e trens-bala. E os efeitos quânticos também são usados para criar computadores quânticos. Mesmo os computadores mais comuns seriam impossíveis se a mecânica quântica não explicasse o comportamento dos elétrons em um semicondutor. Assim, a descoberta fundamental feita pela equipe de Abbamonte poderia trazer os resultados tecnológicos mais inesperados.
Anatoly Glyantsev
