Perto do zero absoluto, elétrons em uma corrente elétrica se comportam como areia em uma ampulheta

O que aconteceria se uma corrente elétrica não fluísse, mas “gotejasse”, em vez disso? Esta foi a questão investigada por pesquisadores que trabalham no Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido. A pesquisa envolveu o resfriamento de um microscópio até o décimo quinto milésimo de grau acima do zero absoluto. A essas temperaturas extremamente baixas, os elétrons revelaram sua natureza quântica. A corrente elétrica é, portanto, um meio granular, constituído por partículas individuais. Os elétrons gotejam através de um condutor, como grãos de areia em uma ampulheta, um fenômeno que pode ser explicado com o auxílio da eletrodinâmica quântica.

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A água que flui de uma torneira é um meio homogêneo – é impossível distinguir entre as moléculas individuais de água. Exatamente a mesma coisa acontece a corrente elétrica. São tantos elétrons fluindo em um cabo convencional que a corrente parece ser homogênea. Embora não seja possível distinguir os elétrons individuais, a mecânica quântica diz que eles deveriam existir. Então, como eles se comportam? Em que condições a corrente não flui como água através de uma torneira, mas sim escorre como areia em uma ampulheta?

A analogia da ampulheta é muito apropriada para o microscópio de varredura por tunelamento, no qual uma ponta fina e pontuda varre a superfície de uma amostra sem realmente tocá-la. Uma pequena corrente flui, no entanto, já que há uma ligeira probabilidade de que os elétrons façam um “túnel” da ponta pontiaguda para a amostra. Esta corrente de túnel é uma função exponencial da separação, razão pela qual a ponta pontiaguda está localizada apenas alguns Ångström (um décimo milionésimo de milímetro) acima da amostra.

Elétrons individuais

Variações mínimas na corrente de túnel permitem aos pesquisadores separar átomos individuais e estruturas atômicas em superfícies e pesquisar sua estrutura eletrônica. Microscópios de varredura por tunelamento são, portanto, alguns dos detectores mais versáteis e sensíveis em toda a física do estado sólido.

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Mesmo sob estas condições extremas – uma corrente de menos de um bilionésimo da corrente que flui através de uma lâmpada de 100 watts – bilhões de elétrons por segundo ainda fluem. Isso é demais para discernir os elétrons individuais. A temperatura estava em torno de quinze milésimos de grau acima do zero absoluto (isto é, a menos 273.135 ° C) antes que os cientistas percebessem que a corrente elétrica consiste em elétrons individuais.

Nesta temperatura baixa, estruturas muito finas, que os pesquisadores não esperavam, apareceram no espectro. “Poderíamos explicar essas novas estruturas apenas assumindo que a corrente de túnel é um meio granular, e não mais homogêneo”, diz Ast, que lidera o grupo que trabalha com o microscópio de varredura por tunelamento. Esta é, portanto, a primeira vez que a plena natureza quântica do transporte eletrônico no microscópio de varredura por tunelamento foi mostrada.

A carga elétrica deve, portanto, ser quantificada, assim como esse fenômeno da mecânica quântica deve ser totalmente explicado. “A teoria em que ele se baseia foi desenvolvida no início dos anos 90. Agora que as questões conceituais e práticas relacionadas com a sua aplicação em microscópios de varredura por tunelamento foram resolvidas, é bom ver como consistentemente teoria e experiência se encaixam”, diz Joachim Ankerhold, da Universidade de Ulm, na Alemanha, que contribuiu com a base teórica.

Ambiente propício

Além de uma teoria detalhada, experiências deste tipo requerem um ambiente de laboratório adaptado que reduza as perturbações externas em grande medida. Desde o final de 2012, um novo laboratório de precisão está em operação no campus dos Institutos Max Planck em Stuttgart; ele fornece um ambiente de laboratório quase livre de distúrbios para experimentos altamente sensíveis, como o microscópio de varredura por tunelamento mK.

O instrumento está localizado no laboratório de precisão em uma caixa equipada com blindagem acústica e eletromagnética em uma base de concreto livre de vibração. “Queremos usá-lo para nos aventurarmos em território novo e desconhecido – o que fizemos com muito sucesso com essa experiência”, diz Klaus Kern, diretor do Instituto Max Planck para Pesquisa em Estado Sólido.

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Os elétrons já demonstraram sua natureza quântica. Conforme eles são transportados através de pontos quânticos, por exemplo, o fluxo de corrente é especificamente bloqueado para que os elétrons apareçam individualmente. Este efeito tornou-se evidente no microscópio de varredura por tunelamento somente através do resfriamento a temperaturas extremamente baixas, no entanto. “O efeito de túnel atingiu definitivamente o limite quântico aqui”, diz o membro da equipe Berthold Jäck. Os pesquisadores não querem ver isso como uma limitação, no entanto. “Essas temperaturas extremamente baixas abrem uma riqueza inesperada de detalhes que nos permitem entender a supercondutividade e interações luz-matéria muito melhor”, diz Christian Ast. [Phys.org]

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