Dropleton: cientistas criam “gotas quânticas” pela primeira vez

Por , em 27.02.2014

Ao bombardear um semicondutor com pulsos de laser ultrarrápidos, cientistas descobriram uma nova quasipartícula que se comporta como uma gota de líquido. Eles a descreveram como uma “gota quântica”, e a nomearam “dropleton”.

O Dropleton

A gota quântica é um novo tipo de partícula que poderia ajudar a estudar como a luz e a matéria interagem. Segundo Mackillo Kira, da Universidade de Marburg, na Alemanha, um dos pesquisadores do estudo, a descoberta adiciona um novo elemento para a “tabela periódica” de quasipartículas.

Os cientistas não estavam esperando encontrar o dropleton, que apareceu em experimentos com semicondutores em temperaturas extremamente baixas. Ele tem propriedades diferentes de tudo o que os pesquisadores já viram antes.

“No início, coçamos a cabeça”, disse o físico Steven Cundiff, da Universidade do Colorado e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Boulder (EUA), outro autor da pesquisa, publicada na revista Nature. “Mas, então, surgiu a ideia de que o que estávamos vendo era uma coisa nova, que chamamos de gota quântica”.

Entenda

Materiais como metais são bons condutores de eletricidade. Dentro de um condutor como fio de cobre, os elétrons dos átomos são desvinculados de seus núcleos e livres para fluir, permitindo-lhes facilmente carregar uma corrente. O oposto disso é um isolante, como a borracha, no qual os elétrons ficam parados.

Entre esses dois extremos existem materiais como os semicondutores de silício, em que alguns dos elétrons podem se mover livremente e conduzir eletricidade, enquanto outros ficam presos. O silício puro não é um bom semicondutor, porque todos os seus átomos estão ligados covalentemente aos seus vizinhos. Impurezas podem tomar o lugar de alguns dos átomos de silício e liberar alguns dos elétrons, criando um semicondutor.

Descrever as partículas dentro de um semicondutor é bastante complicado. Há inúmeros núcleos atômicos e elétrons, e explicar como cada partícula age ao interagir com outra é praticamente impossível. Em vez disso, os cientistas descrevem as propriedades de quasipartículas, uma forma simplificada de olhar para as dinâmicas de grupo de todas as partículas em conjunto.

Quando um fóton entra em um semicondutor de silício, atinge um dos núcleos atômicos, liberando um elétron. Um tipo de quasipartícula conhecida como “buraco de elétron” é deixada para trás. O buraco de elétron é uma espécie de bolha que, da mesma forma que uma bolha de ar em um copo de água sobe enquanto todas as outras gotas de água tendem a descer, se comporta de forma oposta a um elétron. O buraco tem uma carga positiva, em comparação com a negativa do elétron.

Se há algo que você provavelmente já sabe nessa descrição física toda, é que os opostos se atraem. Um elétron e um buraco podem se unir e criar uma quasipartícula conhecida como excíton. Do ponto de vista da mecânica quântica, o buraco tem propriedades semelhantes a um próton. Desta forma, o excíton se comporta como um átomo de hidrogénio neutro, no qual elétrons e prótons estão unidos.

Os átomos de hidrogênio são muito estáveis. A energia de ligação que mantém elétrons e prótons juntos é relativamente forte. Mas a energia de ligação mantendo um eléctron e um buraco de elétron em conjunto é muito fraca, cerca de 1.000 vezes menor. Qualquer pequeno distúrbio energético vai quebrar o vínculo. Assim, excítons se formam em temperaturas muito baixas, em torno de menos 263 graus Celsius.

O que a equipe de pesquisa fez foi esfriar um semicondutor de arsenieto de gálio e apontar um laser a ele. Os fótons do laser geraram elétrons livres, buracos de elétrons e excítons (tudo isso em alguns bilionésimos de segundo).

Conforme os pesquisadores aumentavam a intensidade do laser, criavam mais e mais excítons. Só que esses excítons começaram a interferir uns com os outros, e isso enfraquece os laços entre os seus elétrons e buracos de elétrons. A uma certa intensidade do laser, excítons não podem mais se formar.

A equipe então diminuiu o comprimento de onda do laser, e atirou novamente no arsenieto de gálio. Desta vez, os pulsos de laser criaram elétrons, buracos e excítons, mas esses últimos também se uniram em quasipartículas chamadas de biéxcitons, feitas de dois excítons. Da mesma forma que excítons são análogos a um átomo de hidrogênio, um biexcíton é como uma molécula de hidrogênio (H2).

Os pesquisadores esperavam que os vínculos entre esses biexcítons enfraquecessem com o aumento da intensidade do laser. Mas algo inesperado ocorreu – eles na verdade se ligaram mais fortemente, parecendo formar uma configuração completamente nova de quatro elétrons e buracos de elétrons.

Os experimentos também criaram quasipartículas de cinco elétrons e buracos, e seis elétrons e buracos. “Ficamos perplexos”, disse Cundiff.

Depois de verificar com alguns modelos matemáticos, os cientistas perceberam que tinham descoberto algo original.

Em biexcítons, excítons ficam regularmente espaçados uns dos outros, assim como átomos em uma molécula. Mas, nesta nova quasipartícula, os elétrons e os buracos já não têm uma posição fixa em relação um ao outro. Em vez disso, se “acotovelam” como uma pequena gota de líquido – um dropleton.

A descoberta não possui aplicações imediatas. “Eu não acho que alguém vai construir um dispositivo baseado em uma gota quântica”, disse Cundiff. Mas o estudo é importante para a compreensão básica de fenômenos complexos dentro de dispositivos de estado sólido, como semicondutores e supercondutores. [Wired, NS]

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