Físicos obtêm imagens diretas de um cristal de Wigner

Os eletrões são pequenas maravilhas. Costumam orbitar em torno dos núcleos atómicos, mas não são obrigados a fazê-lo: o Universo está repleto de eletrões livres em movimento.

Há noventa anos, o físico teórico Eugene Wigner sugeriu que também não teriam de andar errantes. Defendeu que os eletrões livres poderiam ser obrigados a agrupar-se numa forma invulgar de matéria, sem quaisquer átomos, composta apenas por eletrões aprisionados pela sua própria repulsão numa rede cristalina ordenada.

Esta estrutura é conhecida como cristal de Wigner, e os físicos obtiveram finalmente provas observacionais diretas de que pode existir.

"O cristal de Wigner é uma das fases quânticas da matéria mais fascinantes que foram previstas e tem sido alvo de numerosos estudos que alegam ter encontrado, na melhor das hipóteses, evidências indiretas da sua formação", afirma o físico Al Yazdani, da Universidade de Princeton.

"Visualizar este cristal permite-nos não só observar a sua formação e confirmar muitas das suas propriedades, como também estudá-lo de formas que antes não eram possíveis."

Como pode formar-se um cristal de Wigner

Um cristal descreve a organização que os átomos podem assumir na matéria sólida. Nos materiais cristalinos convencionais, os átomos ligam-se entre si de modo a criar um padrão que se repete no espaço.

No seu influente artigo de 1934, Wigner propôs que os eletrões poderiam adotar disposições semelhantes, auxiliados - e não impedidos - pela repulsão mútua produzida pela carga negativa que todos transportam.

Segundo a sua teoria, a temperaturas extremamente baixas e com densidades reduzidas, a interação repulsiva entre eletrões faria com que a sua energia potencial se sobrepusesse à tendência para se moverem rapidamente, levando-os a organizar-se em redes semelhantes a cristais.

Estes cristais não obedeceriam à física clássica, mas sim à mecânica quântica: os eletrões ligados comportar-se-iam não como partículas distintas, mas como uma única onda. Várias experiências com sistemas bidimensionais, concebidas para detetar os resultados deste comportamento, forneceram indícios indiretos da existência de cristais de Wigner, mas obter provas diretas revelou-se bem mais difícil.

"Existem literalmente centenas de artigos científicos que estudam estes efeitos e defendem que os resultados têm de se dever ao cristal de Wigner", diz Yazdani, "mas não é possível ter a certeza, porque nenhuma destas experiências chega efetivamente a ver o cristal."

Imagens diretas do cristal de Wigner em grafeno

Tendo em conta as limitações dessas experiências, uma equipa liderada pelos físicos Yen-Chen Tsui, Minhao He e Yuwen Hu, da Universidade de Princeton, criou uma experiência destinada a ultrapassar os problemas anteriores e revelar o cristal.

Os investigadores recorreram a campos magnéticos para induzir um cristal de Wigner de eletrões em grafeno - mas não num grafeno qualquer. O material tinha de ser o mais puro possível, eliminando efeitos que pudessem resultar de imperfeições atómicas.

Prepararam duas folhas de grafeno, colocaram-nas numa configuração específica e arrefeceram-nas até uma fração acima do zero absoluto. Em seguida, aplicaram um campo magnético para ajustar a densidade do gás de eletrões entre as duas camadas.

O cristal de Wigner tem uma densidade de eletrões ideal. Se essa densidade for demasiado baixa, os eletrões repelem-se e simplesmente afastam-se. Se for demasiado elevada, os eletrões comprimem-se, formando um líquido de eletrões.

No ponto certo, os eletrões tentam repelir-se uns aos outros, mas a sua fuga é bloqueada por outros eletrões. Acabam, assim, por se dispor numa grelha, preservando entre si a maior distância igual possível.

Observação à escala atómica

Para medir esta fase cristalina, os cientistas utilizaram microscopia de efeito túnel de varrimento de alta resolução (STM). A STM recorre ao efeito de túnel quântico para analisar materiais à escala atómica, uma dimensão que a microscopia ótica não consegue alcançar.

"Na nossa experiência, conseguimos obter imagens do sistema enquanto ajustamos o número de eletrões por unidade de área. Só ao alterar a densidade, é possível iniciar esta transição de fase e observar os eletrões formarem espontaneamente um cristal ordenado", explica Tsui.

"O nosso trabalho fornece as primeiras imagens diretas deste cristal. Provámos que o cristal está realmente lá e conseguimos vê-lo."

As medições confirmaram ainda os modelos que descrevem a rede como triangular quando confinada a um espaço 2D, embora tenham mostrado que esta consegue manter-se estável quando a densidade é ajustada numa gama bastante ampla. Isto contraria teorias anteriores, segundo as quais o intervalo de densidades teria de ser muito reduzido. A equipa verificou também que os eletrões não ocupam um único ponto na rede, mas sim um intervalo difuso de posições, descrito como movimento de ponto zero.

"Os eletrões, mesmo quando estão congelados num cristal de Wigner, devem apresentar um forte movimento de ponto zero", afirma Yazdani. "Acontece que este movimento quântico abrange um terço da distância entre eles, tornando o cristal de Wigner num novo cristal quântico."

As conclusões foram publicadas na Nature.