BESSY II: Cadeias de fósforo - um material 1D com propriedades electrónicas 1D
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Pela primeira vez, o BESSY II conseguiu demonstrar experimentalmente as propriedades electrónicas unidimensionais de um material. As amostras eram constituídas por cadeias curtas de átomos de fósforo que se formam num substrato de prata de forma auto-organizada em ângulos específicos. Através de uma análise sofisticada, foi possível separar as contribuições das cadeias orientadas de forma diferente e demonstrar que as propriedades electrónicas são efetivamente unidimensionais. Os cálculos mostraram também que é de esperar uma excitante transição de fase. Enquanto o material constituído por cadeias individuais é semicondutor, uma estrutura de cadeia muito densa seria metálica.
O mundo material é constituído por átomos que se combinam para formar todo o tipo de substâncias diferentes. Regra geral, estes átomos estão interligados tanto num plano como perpendicularmente a ele. Mas há outra forma: os átomos de carbono podem formar o grafeno, uma rede hexagonal em que apenas estão ligados entre si num plano. O elemento fósforo também pode estabelecer ligações cruzadas em duas dimensões e formar uma forma 2D estável. Estes materiais bidimensionais são um campo de investigação excitante, pois possuem propriedades electrónicas e ópticas surpreendentes. As considerações teóricas mostram que as propriedades electro-ópticas das estruturas unidimensionais podem ser ainda mais exóticas.
De facto, foi recentemente possível produzir estruturas unidimensionais. Sob certas condições, por exemplo, é possível que os átomos de fósforo se organizem em linhas curtas num substrato de prata. Morfologicamente, estas cadeias são unidimensionais. No entanto, deve assumir-se que interagem lateralmente com outras cadeias. Estas interações influenciam a estrutura eletrónica e podem destruir a unidimensionalidade. Até agora, porém, não foi possível medir isto corretamente a nível experimental.
"Oliver Rader, que dirige o Departamento de Spin e Topologia em Materiais Quânticos no HZB, afirma: "Agora demonstrámos, através de uma avaliação muito rigorosa das medições no BESSY II, que essas cadeias de fósforo têm realmente uma estrutura eletrónica unidimensional.
O Dr. Andrei Varykhalov e a sua equipa começaram por produzir e caraterizar cadeias de fósforo em prata utilizando um microscópio crio de varrimento e tunelamento. As imagens mostram que as cadeias P curtas se formam em três direcções diferentes no substrato, com ângulos de 120 graus entre elas.
"Obtivemos resultados de grande qualidade, por exemplo, conseguimos observar ondas estacionárias (de electrões) formadas ao longo das cadeias no microscópio de varrimento por tunelização", afirma Varykhalov. Analisaram a estrutura eletrónica utilizando um método com o qual a equipa já tem uma grande experiência: Espectroscopia de emissão de fotoelectrões resolvida em ângulo (ARPES) no BESSY II.
O Dr. Maxim Krivenkov e a Dra. Maryam Sajedi fizeram um trabalho pioneiro neste domínio: analisando cuidadosamente os dados, conseguiram separar as contribuições das três cadeias de fósforo com orientações diferentes. "Conseguimos separar os sinais ARPES destes domínios e, assim, mostrar que estas cadeias de fósforo 1D têm, na realidade, uma estrutura eletrónica 1D muito clara", afirma Krivenkov. Os cálculos efectuados através da teoria do funcional da densidade confirmam esta análise e fazem uma previsão empolgante: quanto mais próximas estas cadeias estiverem umas das outras, mais fortemente interagem. Os cálculos prevêem uma transição de fase de semicondutor para metal à medida que a densidade do conjunto de cadeias aumenta, pelo que uma estrutura bidimensional de cadeias de fósforo seria metálica.
"Entrámos aqui num novo campo de investigação, um território inexplorado em que muitas descobertas interessantes são provavelmente ainda possíveis", diz Varykhalov.
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