Descoberta nova forma de matéria – o Excitonium!

O Excitonium.

É uma interação deveras bizarra, que implica o electrão e o “buraco” que este ocupava no espaço quando estava numa orbital atómica.

Pode-se comparar a sua composição com a dum átomo de hidrogénio que fosse mais fraco, com energias de ligação muito mais débeis.

Define-se como um condensado da fase Crítica Quântica. Exibe fenómenos quânticos macroscópicos, a exemplo dos super-fluídos, ou super-condutores, e dos cristais electrónicos isolantes.

É constituído por Excitons, que são quasi-partículas formadas num dubleto, ou par, muito estranho (e não se trata da teorética matéria estranha, que poderia devorar todo o Universo), gerado pela mecânica quântica, quando um electrão livre interage com o “buraco” que ocupava quando estava numa valência atómica.

Desafia todo o senso comum e toda a intuição, mas revela como são diferentes as leis e o regime do mundo dos quanta.

É gerado quando um electrão, posicionado nos limites duma banda de valência super povoada dum semi-conductor, é excitado e salta para a banda de energia de condutividade, que até esse evento estava vazia.

Energia dos Electrões.
Créditos: Hyperphysics, Band Theory – University of Arizona.

Ao fazê-lo, o electrão deixa para trás um “buraco” na banda de valência.

Esta cavidade comporta-se como uma partícula com carga eléctrica positiva (o electrão tem carga negativa), e atrai assim o electrão escapado.

Quando o electrão se emparelha com o buraco, os dois formam uma partícula composta, um bosão, que se chama Excitão.

Esta notável e surpreendente resultante (que nem a mais louca das ficções poderia prever) tinha sido prevista matematicamente mas só agora foi confirmada com evidências experimentais, repetidas pelo menos 5 vezes.

Tem que se esclarecer que este evento surge igualmente devido ao ambiente que o rodeia, já que as características de partícula que o buraco adquire resultam da multidão de electrões que o rodeia.

Impressão artística do colectivo de Excitões num sólido de Excitonium. Estas excitações podem ser vistas como muros de propagação dum domínio (a amarelo) enquadrado num fundo de Excitonium (a azul) mais ordenado.
Créditos: Peter Abbamonte, U. of IIinois. Department of Physics e Frederick Seitz Materials Research Laboratory.

O facto de se entender a sua composição e o seu mecanismo não desilustra o par, que é ao mesmo tempo bizarro e maravilhoso.

A Descoberta

O Professor de Física Peter Abbamonte e os estudantes Anshul Kogar e Mindy Rak, com contribuições dos seus colegas da Universidade do Illinois e doutros da Universidade da Califórnia em Berkeley e da Universidade de Amesterdão, provaram a existência desta enigmática nova forma de matéria, que tinha deixado os cientistas perplexos desde que foi teorizada pela primeira vez há 50 anos.

A equipa estudou cristais sem dopantes (sem alteração das suas propriedades eléctricas) dum metal de transição que é frequentemente analisado, o dicalcogeneto disilenido de titânio (1T-TiSe2, com a designação em Inglês de dichalcogenide titanium diselenide) e reproduziu o seu surpreendente resultado 5 vezes em cristais não clivados diferentes.

O Professor de Física Jasper van Wezel, da Universidade de Amesterdão, providenciou o suporte de interpretação teórica das experiências.

Relação entre Energia e Momentum para o modo colectivo Excitónico observado através da técnica M-EELS. Imagem de Peter Abbamonte, U. of I. Department of Physics and Frederick Seitz Materials Research Laboratory.

Como foi descoberto o Excitonium?

Até esta descoberta, os cientistas não dispunham das ferramentas experimentais para poderem distinguir de forma positiva o que poderia parecer um Excitonium duma fase de Peierls. Apesar de ser completamente não relacionada com a formação de excitões, uma fase de Peierls partilha com a condensação de excitões a mesma simetria e observáveis semelhantes, designadamente uma super grelha e uma abertura dum diferencial de nível de energia gerado por uma só partícula.

Peter Abbamonte e a sua equipa lograram ultrapassar este desafio recorrendo a uma técnica nova que eles próprios desenvolveram e que designaram por Momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy (M-EELS). Esta técnica é mais sensível a excitações da banda de valência do que a dos raios-x inelásticos ou do que da dispersão de neutrões.

O estudante Anshul Kogar retro equipou um espectrómetro EEL, que previamente somente conseguia medir a trajectória dum electrão, fornecendo os dados de quanta energia e quanto momentum este tinha perdido, adicionando um goniómetro, o que permitiu à equipa medir com muita precisão o momentum dum electrão no espaço real.

O Professor de Física Peter Abbamonte (ao centro) trabalha com os estudantes Anshul Kogar (à direita) e Mindy Rak (à esquerda) no seu laboratório no Frederick Seitz Materials Research Laboratory. Fotografia de L. Brian Stauffer, University of Illinois at Urbana-Champaign.

Com a sua nova técnica, o grupo conseguiu medir pela primeira vez as excitações colectivas das partículas bosónicas, os pares de electrões e os seus buracos, desconsiderando o seu momentum.

Mais especificamente, a equipa obteve a primeira observação em qualquer material do percursor da condensação do excitão, uma fase suave de plasmão que emergiu quando o material atingiu a sua temperatura crítica de 190 kelvin.

Esta fase suave de plasmão é uma indicação substancial da condensação dos excitões num sólido tri-dimensional e a primeira evidência inequívoca da descoberta do Excitonium.

“Este resultado tem um significado cósmico,” afirmou Peter Abbamonte. E explica que “desde que a palavra Excitonium foi inventada na década de 1960 pelo Físico teórico Bert Halperin na Universidade de Harvard, que os físicos têm tentado demonstrar a sua existência. Os teóricos têm debatido se se tratava de um isolante, um conductor perfeito ou um super-fluído – adiantando argumentos convincentes para as várias hipóteses. Desde os anos 1970, muitos experimentalistas publicaram evidências da existência do Excitonium, mas o seus achados não eram provas definitivas e poderiam ser explicados por uma transição de fase estructural convencional.”

A estudante Mindy Rak lembra-se, quando trabalhava no laboratório, do momento em que entendeu pela primeira vez a magnitude destes achados: “lembro-me do Anshul estar muito excitado acerca dos resultados das medidas obtidas do TiSe2. Estávamos junto ao quadro no laboratório quando ele me explicou que tínhamos acabado de medir algo que ninguém até agora conseguira: um plasmão suave.”

E prosseguiu: “ a excitação provocada por esta descoberta esteve presente ao longo de todo o projecto. O trabalho que fizemos com o TiSe2 permitiu-me ver a promessa única que a nossa técnica M-EELS encerra para o avanço do nosso conhecimento das propriedades físicas dos materiais e motivou-me a prosseguir com a pesquisa do TiSe2.”

Kogar admite que a motivação inicial da pesquisa não era a descoberta do Excitonium, a equipa de facto preparava-se para testar o seu novo método de M-EELS num cristal que estava já disponível – e que tinha sido desenvolvido pelo estudante Young Il Joe, agora a trabalhar no NIST. Mas não deixa de realçar que o Excitonium foi sempre alvo de grande interesse.

“Esta descoberta foi um feliz acaso. Mas o Peter e eu tivemos uma conversa há uns 5 ou 6 anos precisamente sobre este tópico do modo electrónico suave, apesar de num contexto diferente da instabilidade de Wigner nos cristais. Assim, não entendemos logo o que estava a ocorrer no TiSe2, mas sabíamos que era um resultado importante – e um que estava como que a levedar nas nossas mentes há já alguns anos.”

Esta descoberta fundamental promete ajudar a descortinar mais mistérios da mecânica quântica, já que no fim de contas são os fenómenos macroscópios que emergem do mundo dos quanta que formataram o nosso conhecimento. Poderá também elucidar a transição metal-isolante nas bandas dos sólidos, na qual se pensa que a condensação de Excitões desempenha uma parte.

Mais do que isto, de momento, será pura especulação.

Podem aceder ao paper científico aqui