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Teorizada na década de 60, nova forma de matéria é finalmente observada

Por , em 8.12.2017

Uma equipe internacional de cientistas acabou de comprovar a existência de uma nova forma de matéria, teorizada há quase 50 anos. O Excitonium, que intriga os pesquisadores desde que foi pensado pela primeira vez, foi encontrado em uma contribuição entre as Universidades de Illinois e da Califórnia, nos EUA, e da Universidade de Amsterdã, na Holanda.

Nova forma de matéria é criada: cristais de tempo

“Este resultado é de importância cósmica”, afirma Peter Abbamonte, professor de física da Universidade de Illinois. “Desde que o termo ‘excitonium’ foi cunhado na década de 1960 pelo físico teórico Bert Halperin, os físicos tentaram demonstrar sua existência. Os teóricos discutiram se seria um isolador, um condutor perfeito ou um superfluido – com alguns argumentos convincentes de todos os lados. Desde a década de 1970, muitos experimentalistas publicaram evidências da existência de excitonium, mas suas descobertas não foram uma prova definitiva e poderiam igualmente ter sido explicadas por uma transição de fase estrutural convencional”, explica.

O Excitonium é uma forma condensada de matéria que exibe fenômenos quânticos macroscópicos, como um superfluido. Ele é composto de excitons, partículas que se formam em um emparelhamento mecânico quântico muito estranho: o de um elétron que escapou e o buraco que ele deixou para trás. Este fenômeno bizarro e que parece desafiar a razão resulta de quando um elétron, localizado na borda de uma banda de valência cheia de elétrons em um semicondutor, fica excitado e salta sobre o espaço de energia para a banda de condução que estava vazia, deixando para trás um “buraco” na banda de valência.

Esse buraco se comporta como se fosse uma partícula com carga positiva, e atrai o elétron que escapou. Quando o elétron, com sua carga negativa, se alinha com o buraco, os dois formam um exciton, uma partícula composta, também chamada de bóson. Os atributos semelhantes aos de partículas do buraco são atribuíveis ao comportamento coletivo da multidão de elétrons ao redor, mas isso não faz com que o emparelhamento fique menos estranho.

Nova técnica

O excitonium só foi visto agora em materiais reais porque, até agora, os cientistas não tinham as ferramentas experimentais para distinguir se o que parecia excitonium não era, na verdade, um outro fenômeno, conhecido como fase de Peierls. Embora não tenham nenhuma relação com a formação de excitons, as fases de Peierls e a condensação de excitons compartilham a mesma simetria e são ​​semelhantes.

Estrela de nêutrons revela forma de matéria bizarra

A equipe conseguiu superar esse desafio observacional usando uma nova técnica que eles mesmos desenvolveram, chamada Espectroscopia de Perda de Energia Eletrônica (M-EELS). O M-EELS é mais sensível às excitações da banda de valência do que os outros métodos usados anteriormente. Com a sua nova técnica, o grupo conseguiu, pela primeira vez, medir as excitações coletivas das partículas, os elétrons emparelhados e os buracos, independentemente do seu impulso.

Feliz acaso

Anshul Kogar, um dos dois estudantes de graduação que participaram do estudo, juntamente com a colega Mindy Rak, diz que descobrir o excitonium não era a motivação original para a pesquisa. Eles pretendiam testar o M-EELS em um cristal que estava prontamente disponível. Mas ele enfatiza que o excitonium já era de grande interesse entre eles.

“Peter e eu tivemos uma conversa há cerca de 5 ou 6 anos abordando exatamente esse tópico do modo eletrônico suave, embora em um contexto diferente, a instabilidade do cristal de Wigner. Por isso, embora não tivéssemos imediatamente entendido por que estava ocorrendo, nós sabíamos que era um resultado importante – e que estava se desenvolvendo nas nossas mentes há alguns anos”, acrescenta.

Descoberta nova partícula exótica que é uma forma inteiramente nova da matéria

A pesquisa é fundamental para desbloquear outros mistérios da mecânica quântica, uma vez que o estudo dos fenômenos quânticos macroscópicos ajudou a moldar nossa compreensão da mecânica quântica. As descobertas da equipe foram publicadas na edição de hoje (8 de dezembro) da revista Science. [phys.org]

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