Os cientistas desenvolveram um microscópio inovador que utiliza o sensor mais recente – um único átomo – para revelar o terreno energético invisível que guia os elétrons dentro dos materiais quânticos.
(Notícias Nanowerk) Think about tentar ler Braille usando luvas grossas de inverno; você pode sentir a forma geral do livro, mas a história permanece um mistério. Durante décadas, esta tem sido a realidade para os físicos que tentam “sentir” as paisagens energéticas invisíveis que governam a forma como os eletrões se movem nos materiais quânticos. Agora, os pesquisadores do Instituto Weizmann de Ciência tiraram as luvas.
Em um novo estudo publicado em Natureza (Diário desconhecido, “Imagem do potencial sub-moiré usando um transistor atômico de elétron único”), uma equipe liderada pelo Prof. Shahal Ilani revela o Atomic Single Electron Transistor (Atomic SET), um microscópio de varredura que usa um único átomo como um sensor quântico ultrassensível. Ao varrer esta sonda atómica através de um materials, os investigadores obtiveram imagens com resolução 100 vezes melhor do que as técnicas de última geração existentes, revelando uma paisagem energética inesperadamente intensa que desafia as previsões teóricas.
O Atomic SET abre uma nova fronteira de descoberta quântica, prometendo revelar os segredos de estados exóticos da matéria que poderão alimentar as tecnologias de amanhã.
Das forças invisíveis aos mapas visíveis
Dentro de cada materials sólido, os elétrons se movem através de uma paisagem energética invisível moldada pelos átomos do materials. Esta paisagem determina se um materials conduz eletricidade, se torna supercondutor ou hospeda estados quânticos inteiramente novos. Até agora, este perfil de energia period inacessível à imagem direta porque existe em escalas de comprimento que são extremamente difíceis de sondar.
O Atomic SET supera essa limitação, permitindo medições diretas e de alta resolução do potencial eletrostático dentro de materiais quânticos. A técnica é implementada usando a plataforma Quantum Twisting Microscope (QTM) recentemente desenvolvida pelo grupo, que coloca um materials van der Waals montado em uma ponta de varredura em contato com um segundo materials van der Waals em um substrato plano, permitindo que um seja escaneado lateralmente em relação ao outro.
Para sua surpresa, os investigadores descobriram que quando uma das camadas contém um defeito atómico, como um átomo ausente ou substituído na rede cristalina, forma um canal altamente localizado para o fluxo de corrente entre as duas camadas. Como esse defeito atômico hospeda níveis de energia bem definidos, a corrente só pode fluir quando esses níveis estão precisamente alinhados com os dos materiais de van der Waals adjacentes.
Notavelmente, uma mudança infinitesimal no potencial eletrostático, da ordem de uma parte por milhão do potencial produzido por um único elétron, é suficiente para mudar esses níveis de energia e produzir uma mudança mensurável na corrente. Isso torna o Atomic SET o detector de potencial elétrico mais sensível já realizado em escalas de comprimento tão pequenas.
Ao deslizar a ponta enquanto mantém contato com a amostra, o átomo sensor paira menos de um nanômetro acima do materials, escaneando seu potencial native e construindo um mapa do espaço actual da paisagem energética. O tamanho atômico do sensor, combinado com sua proximidade extrema da amostra, produz uma resolução espacial sem precedentes de cerca de um nanômetro – cerca de 100 vezes melhor do que a das técnicas existentes.
“Pela primeira vez, podemos ver diretamente o potencial que os elétrons experimentam dentro de um sólido”, diz a autora principal, Dra. Dahlia Klein. “É notável que um único átomo possa ser sensível o suficiente para revelar estruturas que antes estavam completamente ocultas.”
Espiando dentro de superredes moiré
A equipe demonstrou o poder do Atomic SET em um sistema quântico canônico: grafeno alinhado ao nitreto de boro hexagonal. Como essas duas camadas atomicamente finas têm constantes de rede ligeiramente diferentes, empilhá-las produz uma superrede moiré, um cristal synthetic com um padrão de repetição de comprimento de onda longo. Essas superredes podem remodelar dramaticamente o comportamento eletrônico e tornaram-se centrais para muitas das descobertas recentes mais importantes em materiais quânticos.
Até agora, a paisagem energética desta rede moiré não podia ser visualizada diretamente. Quando os investigadores aplicaram o Atomic SET a este sistema, descobriram um resultado surpreendente: o potencial medido exibia uma simetria inesperada e period quase duas vezes mais forte do que o previsto pelos modelos teóricos existentes.
“O facto de um sistema tão bem estudado ainda conter surpresas diz-nos que falta algo elementary na nossa compreensão precise”, diz Klein. “E isso é importante, porque esta interface é um alicerce para muitas das plataformas de materiais quânticos mais interessantes da atualidade.”
Uma nova ferramenta para descoberta quântica
Além deste sistema específico, o Atomic SET representa uma nova maneira poderosa de explorar a matéria quântica. Como o menor detector de potencial elétrico, ele abre a porta para a visualização direta de como a própria carga se organiza, como as simetrias se quebram e como fenômenos quânticos exóticos – como cargas fracionárias e estados de vórtice – emergem dentro dos materiais.
“Este não é apenas um microscópio melhor”, diz Ilani. “É uma nova maneira de fazer perguntas sobre a matéria quântica – perguntas que antes eram simplesmente inacessíveis.”