Fsicos criam um cristal feito de bsons

Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 04/07/2023

A luz cria as quasipartculas nas duas camadas, que interagem at atingir um estado “travado”, formando o cristal.
[Imagem: Richen Xiong et al. – 10.1126/science.add5574]

Matria de bsons

Fsicos conseguiram pela primeira vez manipular um sistema real – e no um simulador ou um sistema sinttico – para criar uma matria feita de bsons.

“Ns descobrimos um novo estado da matria,” comemora sem meias palavras o pesquisador Richen Xiong, da Universidade da Califrnia de Santa Brbara, nos EUA, que fez a descoberta juntamente com colegas do Instituto Nacional de Cincia de Materiais, no Japo.

Este novo estado da matria chamado isolante bosnico correlacionado, o que j mostra sua principal caracterstica: Ele feito de bsons, e no de frmions.

As partculas subatmicas que compem a matria vm tipicamente em dois sabores, os bsons (ftons, glons, msons etc.) e os frmions (eltrons, prtons, quarks e neutrinos). Eles se distinguem basicamente pelo seu comportamento.

“Os bsons podem ocupar o mesmo nvel de energia; os frmions no gostam de ficar juntos. Juntos, esses dois comportamentos constroem o Universo como o conhecemos,” explica o professor Chenhao Jin.

Os frmions, como os eltrons, esto na base da matria com a qual estamos mais familiarizados, e da qual somos feitos, j que so estveis e interagem por meio da fora eletrosttica. Enquanto isso, os bsons, como os ftons (partculas de luz), tendem a ser mais difceis de criar ou manipular, no gostando muito de interagir entre si – h um grande esforo na tentativa de fazer a luz interagir consigo mesma para criar computadores que funcionam com luz.

Assim, para criar a matria bosnica, a equipe precisou se valer de um intermedirio, um xciton, uma quasipartcula que, entre muitas outras aplicaes, est fazendo a ponte entre a computao eletrnica e a comunicao ptica.

Os xcitons esto sendo usados para criar neurnios artificiais que funcionam com base na luz.
[Imagem: Mateusz Krol]

Cristal de bsons

xcitons so eltrons emparelhados com suas lacunas associadas – lembre-se que um eltron representa uma carga negativa, enquanto a ausncia do eltron, ou lacuna, representa uma carga positiva.

Para criar e identificar xcitons em seu experimento, os pesquisadores colocaram dois materiais monoatmicos um em contato com o outro, formando camadas, e dispararam luzes fortes sobre eles, em um mtodo que chamam de “espectroscopia por sonda de bombeamento”.

Os dois materiais so o disseleneto de tungstnio (WSe₂) e o dissulfeto de tungstnio (WS₂), ambos materiais largamente pesquisados em aplicaes de ponta, das clulas solares aos LEDs, mas com um detalhe importante: Ambos foram sobrepostos em um padro conhecido como moir, em que as redes atmicas dos dois materiais esto ligeiramente deslocadas uma da outra.

A ativao das partculas de cada uma das redes (eltrons do dissulfeto de tungstnio e lacunas do disseleneto de tungstnio) pela luz criou um ambiente favorvel para a formao e interaes entre os xcitons, permitindo que os pesquisadores sondassem o comportamento dessas partculas.

Foi a que aconteceu a surpresa: As fortes interaes entre os xcitons produziram comportamentos coletivos das quasipartculas at uma densidade que as forou a formar um estado cristalino. “Quando esses xcitons atingem uma certa densidade, eles no podem mais se mover,” detalhou Jin.

Materiais bosnicos

A interao luz-matria deu origem a um slido bosnico. E, devido imobilidade dos xcitons, o material um isolante – um isolante bosnico correlacionado.

“O que aconteceu aqui que descobrimos a correlao que levou os bsons a um estado altamente ordenado,” disse Xiong. Geralmente, uma coleo solta de bsons sob temperaturas ultrafrias forma um condensado, mas, neste sistema, com luz e maior densidade e interao em temperaturas relativamente mais altas, eles se organizaram em um slido simtrico e isolante de carga neutra.

Com essa tcnica de produo de slidos bosnicos, torna-se possvel no apenas estudar partculas bosnicas conhecidas, como os xcitons, que tm-se mostrado importantes para vrias aplicaes prticas, mas tambm abrir a possibilidade de criar matria condensada com outros materiais bosnicos.

“Sabemos que alguns materiais tm propriedades muito bizarras,” disse Xiong. “E um objetivo da fsica da matria condensada entender por que eles tm essas propriedades ricas e encontrar maneiras de tornar esses comportamentos mais confiveis.”

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