Resolvido mistério sobre um novo tipo de elétron

Com informações da Universidade de Viena - 23/11/2020

Recentemente, físicos construíram um cristal de elétrons.
[Imagem: Universidade de Cornell]

Novo tipo de elétron

É algo bastante comum nos laboratórios de física: Elétrons deixam um determinado material por algum motivo, voam para longe e, nesse voo, podem ser capturados e medidos. Por exemplo, alguns materiais emitem elétrons quando são irradiados com luz; esses são os chamados "fotoelétrons".

Na pesquisa de materiais, os chamados "elétrons Auger" também desempenham um papel importante: Eles podem ser emitidos por átomos se um elétron for removido primeiro de uma das camadas eletrônicas internas.

Mas agora cientistas da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, conseguiram explicar um tipo completamente diferente de emissão de elétrons, que pode ocorrer em materiais de carbono, como o grafite, o grafeno, os nanotubos e, provavelmente também o diamante - essa emissão de elétrons era conhecida há cerca de 50 anos, mas ninguém havia conseguido explicá-la.

"Muitos pesquisadores já se perguntaram sobre isso," conta o professor Wolfgang Werner. "Existem materiais que consistem em camadas atômicas que são mantidas unidas apenas por forças fracas de Van der Waals, por exemplo o grafite. E foi descoberto que esse tipo de grafite emite elétrons muito específicos, todos com exatamente a mesma energia, 3,7 elétrons volts."

Ocorre que nenhum mecanismo físico conhecido consegue explicar essa emissão de elétrons.

A energia dos elétrons dava uma indicação de onde procurar explicações: "Se essas camadas atomicamente finas ficarem uma sobre a outra, um certo estado de elétron pode se formar entre elas," explica Werner. "Você pode imaginar isso como um elétron que é continuamente refletido para frente e para trás entre as duas camadas, até que, em algum ponto, ele penetre na camada e escape para o exterior."

Mas há um problema: "Os elétrons nesses estados não deveriam realmente atingir o detector. Na linguagem da física quântica, dir-se-ia: a probabilidade de transição é muito baixa," explicou a pesquisadora Alessandra Bellissimo.

A equipe partiu então para explicações alternativas.

Quebra de simetria

Os físicos partiram da suposição de que, para serem detectados, os estados desses elétrons deveriam de alguma forma estar com sua simetria interna quebrada.

"Você pode imaginar isso como pular corda," comparou o professor Werner. "Duas crianças seguram uma corda comprida e agitam suas pontas. Na verdade, ambas criam uma onda que normalmente irá se propagar de um lado da corda para o outro. Mas se o sistema for simétrico e as duas crianças se comportarem do mesmo modo, então a corda só se move para cima e para baixo. O máximo da onda sempre permanece no mesmo lugar. Não vemos nenhum movimento da onda para a esquerda ou para a direita, o que é conhecido como onda estacionária."

Mas se a simetria é quebrada porque, por exemplo, uma das crianças se move para trás, a situação muda: Então a dinâmica da corda se altera e a posição máxima da oscilação - o pico da onda - se move.

É possível controlar a passagem dos elétrons usando apenas a geometria do material.
[Imagem: James P. Custer Jr. et al. - 10.1126/science.aay8663]

Essas quebras de simetria também podem ocorrer nos materiais. Os elétrons saem de seu lugar e começam a se mover, deixando para trás uma lacuna, uma ausência de elétron, ou carga positiva. Esses pares elétron-lacuna perturbam a simetria do material e, portanto, pode acontecer que os elétrons de repente tenham as propriedades de dois estados diferentes simultaneamente.

Desse modo, duas vantagens podem ser combinadas: Por um lado, há um grande número desses elétrons e, por outro, sua probabilidade de chegar ao detector é suficientemente alta. Em um sistema perfeitamente simétrico, apenas um ou outro seria possível. De acordo com a mecânica quântica, eles podem fazer as duas coisas ao mesmo tempo porque a simetria da refração faz com que os dois estados se fundam, ou hibridem.

"Em certo sentido, é um trabalho em equipe entre os elétrons refletidos para frente e para trás entre duas camadas do material e os elétrons que quebram a simetria," detalha o professor Florian Libisch. "Só quando você olha para eles juntos é que você consegue explicar que o material emite elétrons exatamente com essa energia de 3,7 elétron-volts."

Materiais de carbono

A equipe trabalhou com grafite, mas os materiais de carbono estão ocupando um papel importante na tecnologia, como é o caso dos nanotubos e do grafeno, que apresentam propriedades notáveis, nem todas totalmente compreendidas.

"O efeito deve ocorrer em materiais muito diferentes - onde quer que camadas finas sejam mantidas juntas por forças fracas de Van der Waals," disse o professor Werner. "Em todos esses materiais, esse tipo tão especial de emissão de elétrons, que agora conseguimos explicar pela primeira vez, deve ter um papel importante."

Mais tópicos