Cientistas da Universidade da Califórnia conseguiram pela primeira vez a reconstrução experimental da função de onda dos elétrons, também conhecida como “fantasma quântico”. Um impulso para novos lasers, detectores e computação quântica.
Embora a velocidade da luz seja a mais rápida do universo, também é verdade que as propriedades dos materiais podem influenciar o comportamento dos objetos quânticos, incluindo a velocidade com que a luz se propaga.
Os elétrons também se comportam de maneira diferente, dependendo se estão nos materiais ou no espaço livre. Compreender como esse comportamento ocorre é fundamental para cientistas que estudam propriedades de materiais e engenheiros que buscam desenvolver novas tecnologias.
A natureza ondulatória de um elétron também é muito particular e ainda estão sendo feitas pesquisas sobre sua natureza, pois conhecê-la é absolutamente necessário para o projeto de dispositivos eletrônicos mais avançados.
Uma pesquisa desenvolvida na UC Santa Barbara, da qual Mark Sherwin é o autor principal, desenvolveu um método para calcular a natureza ondulatória de um elétron, denominado função de onda de Bloch, a partir de medições físicas.
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Reconstruindo um fantasma
“Esta é a primeira vez que houve uma reconstrução experimental de uma função de onda de Bloch”, explica Mark Sherwin em comunicado.
Os resultados desta pesquisa foram publicados na revista Nature mais de 90 anos depois de Felix Bloch, ganhador do Prêmio Nobel de Física em 1952, ter descrito pela primeira vez o comportamento dos elétrons em sólidos cristalinos.
Como qualquer partícula elementar, os elétrons podem se comportar como partículas e como ondas. Suas propriedades de onda são descritas por objetos matemáticos chamados funções de onda.
Essas funções de onda têm componentes reais e imaginários, tornando-as o que os matemáticos chamam de funções “complexas”. Eles são como fantasmas quânticos.
Desafio tecnológico
No entanto, o valor da função de onda de Bloch de um elétron não pode ser medido diretamente, portanto a observação é limitada às propriedades relacionadas a ele.
O desafio tem sido que, devido à inevitável aleatoriedade de um material, os elétrons colidem e suas funções de onda se dispersam, algo que acontece de forma extremamente rápida, da ordem de cem femtossegundos (um femtossegundo equivale a um bilionésimo de segundo).
Isto impediu os investigadores de obter uma medição suficientemente precisa das propriedades de onda do electrão num material, o que até agora impediu a reconstrução da função de onda de Bloch.
E é esse o problema que a nova pesquisa resolveu: ele utilizou um material simples, o arsenieto de gálio (GaAs), importante semicondutor composto de gálio e arsênico, para realizar seu experimento.
feito alcançado
Todos os elétrons desse material, usado na fabricação de dispositivos como circuitos integrados em frequências de micro-ondas, diodos emissores de infravermelho, diodos laser e células fotovoltaicas, ficam inicialmente presos em ligações entre os átomos de gálio e arsênico.
Para sair disso impasseos pesquisadores usaram um laser infravermelho de baixa intensidade e alta frequência para excitar os elétrons presentes no material e, dessa forma, conseguiram liberar alguns deles e torná-los mais móveis.
Graças a esta mobilidade inesperada, os electrões entraram numa dinâmica quântica que os levou primeiro a afastar-se um do outro, depois a parar, depois a acelerar novamente para finalmente se combinarem novamente.
Esse processo foi o que possibilitou a façanha tecnológica, pois fez com que os elétrons apresentassem diferentes funções de onda de Bloch antes de se recombinarem com os demais elétrons.
Quântico e real
Os pesquisadores aproveitaram essa circunstância para observar e medir todo esse processo quântico e reconstruir experimentalmente a função de onda de Bloch pela primeira vez.
Eles também verificaram que as funções de onda parametrizadas correspondiam ao tipo de luz observada experimentalmente, então os pesquisadores acreditam ter encontrado uma relação muito simples que conecta a teoria da mecânica quântica fundamental com os experimentos do mundo real.
Este resultado é importante porque cientistas e engenheiros atualmente têm que confiar em teorias com muitos parâmetros pouco conhecidos para determinar a função de onda de Bloch e assim desenvolver novos produtos tecnológicos.
Novos designs tecnológicos
Isso significa que a reconstrução precisa das funções de onda de Bloch em uma variedade de materiais permitirá o projeto e a engenharia de todos os tipos de coisas úteis e interessantes, como lasers, detectores e até mesmo algumas arquiteturas de computação quântica, observam os pesquisadores.
Agora que validaram a medição das funções de onda de Bloch num material com o qual estão familiarizados, a equipa pretende aplicar a sua técnica a novos materiais e quasipartículas mais exóticas, na esperança de alcançar aplicações significativas da sua descoberta.
Referência
Reconstrução de funções de onda de Bloch de buracos em um semicondutor. JB Costello et al. Natureza volume 599, páginas 57–61 (2021). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03940-2
