Físicos estão eufóricos com a descoberta de um nova forma de matéria, o excitonium

Em uma colaboração entre pesquisadores da Universidade de Illinois, Universidade da Califórnia e Universidade de Amsterdã, foi desenvolvido um trabalho - publicado na Science - comprovando a existência de uma enigmática nova forma de matéria, a qual têm desafiado os cientistas desde que ela primeiro foi teorizada, há quase 50 anos.

Para trazer para a observação prática o assim chamado 'excitonium', o time de pesquisa estudou cristais não-dopados (puros, sem átomos incrustados na sua estrutura) de dicalcogenita de disseleneto de titânio (1T-TiSe2), reproduzindo fantásticos resultados confirmatórios em 5 repetições experimentais em diferentes clivagens cristalinas.

O Excitonium é um condensado - exibe fenômenos quânticos macroscópicos, como a supercondução, ou superfluidez, ou insulador em cristais eletrônicos -, sendo formando por éxcitons, estes os quais são partículas que são formadas por um pareamento quântico bem estranho relacionado com o escape de um elétron e o buraco positivo deixado para trás.

Algo bem conhecido no meio dos estudos de semi-condutores, quando um elétron é excitado (energeticamente) e pula para um novo nível de energia na banda de valência na eletrosfera de um átomo, ele deixa para trás um buraco que se comporta como uma partícula com carga positiva, e atrai o elétron que acabou de escapar da sua posição original. Quando o elétron fujão - com a sua carga negativa - se une novamente com o buraco 'positivo', os dois formam uma partícula composta, um bóson éxciton.

Até agora, os cientistas não possuíam as ferramentas experimentais necessárias para positivamente distinguir se o que eles estavam observando eram um excitonium ou uma fase 'Peierls'. Apesar de serem completamente não relacionadas com a formação de um éxciton, fases Peierls e condensação éxciton compartilham a mesma simetria e similar efeitos observacionais (uma supergrade e a abertura de uma única lacuna de energia).

Para solucionar as limitações experimentais, os pesquisadores utilizaram uma nova técnica que eles desenvolveram chamada de momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy (M-EELS). Essa técnica é mais sensitiva aos processos de excitação eletrônica nas bandas de valência do que técnicas tradicionais de espalhamento inelástico de nêutrons ou raios-X. Para chegar ao M-EELS, um espectrômetro EEL - o qual mede somente a trajetória de um elétron, dando quanta energia e momento foi perdido - foi mesclado com um goniômetro - o qual permite medir com precisão o momento de um elétron em um espaço real (momento é a massa de um corpo multiplicada pela sua velocidade).

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Com essa nova técnica, os cientistas finalmente foram capazes de medir excitações coletivas de partículas bosônicas de baixa energia - o par de elétrons e buracos nesse caso - independentemente do momento delas. Mais especificamente, o time de pesquisadores alcançou a primeira observação já feita na história, em qualquer material, do percursor para a condensação de éxcitons, uma fase plasmon macia que surge quando o material está se aproximando do seu ponto crítico em suficiente baixa temperatura - nesse caso experimental, a 190 K (~83°C negativos). Essa fase é um sinal de prova da condensação de éxciton em um sólido de três dimensões e a primeira evidência definitiva da descoberta do excitonium.

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E essa descoberta possui um significado astronômico entre a comunidade Física. Desde que o termo foi criado na década de 1960 pelo Físico Teórico Bert Halperin, cientistas ao redor do mundo vêm tentando demonstrar a existência dessa estranha forma de matéria. Cientistas Teóricos há tempos vinham debatendo se ela seria um insulador, um perfeito condutor, ou um superfluido - com argumentos convincentes em todos os lados de defesa. Desde a década de 1970, muitos experimentos já foram publicados mostrando evidências da existência do excitonium, mas seus achados não chegaram a ser provas definitivas e podiam ser explicados por fases de transição mais convencionais.

Com o excitonium agora de vez no campo prático, novos entendimentos do complexo mundo quântico podem ser obtidos - especialmente quando lembramos que fenômenos ligados ao condensado de Bose-Einstein foi responsável por modelar o entendimento macroscópico da mecânica quântica - e futuras aplicações tecnológicas, apesar de especulativas por enquanto, podem ser revolucionárias.

Publicação do estudo: Science

Referência adicional: University of Illinois