Spínons e holons: descobertas duas novas partículas do elétron

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/07/2006

Nanofios e spintrônica

Na semana passada, noticiamos a descoberta de que os sólitons são elétrons circundados por fónons, um feito com importantes implicações para a robótica e a transmissão de dados por fibras ópticas.

Agora, cientistas coreanos e norte-americanos, trabalhando conjuntamente, acabam de comprovar a existência de duas novas partículas intrinsecamente ligadas também aos elétrons: os spínons e os hólons. Esta descoberta poderá também ter implicações em várias áreas, como os supercondutores de alta temperatura, os nanofios e a spintrônica.

Separando a eletricidade do magnetismo

O elétron possui duas características intrínsecas: sua carga e seu spin. Mas os cientistas descobriram que estas "características" são partículas que podem ser isoladas do próprio elétron. Os spínons carregam as informações do spin do elétron, enquanto os hólons carregam as informações sobre sua carga.

É mais ou menos como se você pudesse separar a beleza e a simpatia de alguém e vê-las isoladas daquela pessoa. Os pesquisadores fizeram uma analogia diferente: imagine ver o seu carro indo para um lado e as rodas dele indo para o outro... Parece estranho? E é mesmo.

Mas não é algo que se possa extrapolar. Segundo a teoria, agora comprovada pela equipe do Dr. Changyoung Kim, da Universidade Yonsei, Coréia, essa separação carga-spin somente acontece em sólidos unidimensionais.

Os cientistas comprovaram a existência dos spínons e dos hólons utilizando amostras unidimensionais de óxido de cobre (SrCuO₂), aplicando uma técnica chamada ARPES ("Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy"). Outros pesquisadores já haviam relatado a observação das partículas, mas os resultados eram inconclusivos.

Spin-carga

A idéia por trás da separação carga-spin é que os elétrons se comportam de forma diferente quando sua possibilidade de movimentação fica restrita a uma única dimensão. Enfileirados uns após os outros, as forças repulsivas entre suas cargas elétricas negativas se tornam amplamente dominantes. É esse efeito coletivo que se torna forte o suficiente para quebrar a informação de spin e carga de um único elétron.

A ARPES é uma ferramenta adequada para a observação de efeitos envolvendo conjuntos de elétrons, inclusive a separação carga-spin. Nesta técnica, raios-X aplicados a uma amostra causam a emissão de elétrons, graças ao efeito fotoelétrico.

Medindo a energia cinética dos elétrons emitidos e os ângulos nos quais eles são expelidos, obtém-se sua velocidade e sua taxa de dispersão - as quais contêm um quadro detalhado do espectro de energia do elétron.

Normalmente, a retirada de um elétron de um cristal cria uma lacuna, um espaço vago de energia, de carga positiva. Esta lacuna contém informação tanto do spin quanto da carga, revelados num único pico do espectro lido no ARPES. Se ocorrer a separação carga-spin, a lacuna decai em um spinon e em um hólon, observando-se dois picos no espectro ARPES.

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