Cientistas capturaram imagens inéditas de elétrons que parecem ter uma massa extraordinariamente elevada sob certas condições extremas no interior de um cristal.
Empregando um microscópio projetado para fotografar a organização e as interações de elétrons no interior de cristais, a técnica revela a origem de uma transição de fase eletrônica absolutamente incomum.
O estudo abre as portas para pesquisas das propriedades e funções dos chamados férmions pesados, com implicações diretas tanto sobre o fenômeno da supercondutividade quanto sobre o magnetismo.
Férmions pesados
"Os físicos têm-se interessado pelo 'problema' dos férmions pesados - por que esses elétrons agem como se fossem centenas ou milhares de vezes mais maciços sob certas condições - por trinta ou quarenta anos," disse o coordenador do estudo, Séamus Davis, da Universidade de Cornell, nos Estados Unidos.
O entendimento do comportamento dos férmions pesados pode levar à concepção de novos materiais para os supercondutores de alta temperatura, materiais que conduzem eletricidade sem perda de energia. Os supercondutores atualmente conhecidos somente funcionam em temperaturas criogênicas.
O estudo foi feito com um material composto de urânio, rutênio e silício (URu2Si2).
Este material tem sido objeto de um mistério científico desde que ele foi sintetizado por Graeme Lucas, há 25 anos. Os efeitos dos férmions pesados começam a aparecer no material quando ele é resfriado abaixo de 55 Kelvin (-218 ° C). E uma transição de fase eletrônica ainda mais rara ocorre abaixo dos 17,5 K.
Ordem escondida
Os cientistas atribuíam essa transição de fase de baixa temperatura a alguma forma de "ordem escondida." Eles não conseguiam distinguir se ela estava relacionada com o comportamento coletivo dos elétrons atuando como uma onda, ou com interações dos elétrons individuais com os átomos de urânio.
Agora, os pesquisadores usaram uma técnica concebida para visualizar o comportamento dos elétrons conforme eles passam pela misteriosa transição de fase.
A técnica, chamada imageamento espectroscópico por microscopia de tunelamento, mede o comprimento de onda dos elétrons na superfície do material em relação à sua energia.
"Imagine-se voando sobre um mar onde ondas estacionárias estão se movendo para cima e para baixo, mas não se propagam em direção à praia," diz Davis. "Quando você passar pelos pontos altos, você pode tocar a água; sobre os pontos baixos, você não pode. Isso é semelhante ao que o nosso microscópio faz. Ele 'vê' quantos elétrons podem saltar para a ponta da nossa sonda em cada ponto da superfície."
Partindo do comprimento de onda e das medições de energia, os cientistas podem calcular a massa efetiva do elétron.
Átomos de urânio
"Esta técnica revela que estamos lidando com elétrons muito pesados - ou elétrons que agem como se fossem extremamente pesados, porque eles são de algum modo retardados," explica Davis.
A detecção das características dos elétrons pesados abaixo da segunda temperatura de transição fornece uma prova experimental direta de que os elétrons estão interagindo com os átomos de urânio, e não agindo como uma onda. É essa interação que retarda os elétrons.
No caso do material à base de urânio, a desaceleração dos elétrons dura apenas uma pequena fração de segundo em cada átomo de urânio. Mas como a energia cinética e a massa são matematicamente relacionadas, a desaceleração faz parecer que os elétrons são mais maciços do que um elétron livre.
"Os férmions pesados continuam sendo misteriosos em vários aspectos, e é nosso trabalho como cientistas tentar resolver o problema", disse Davis.
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