Os electrões ficam atrás do núcleo

Um dos grandes sucessos da física do século XX foi a descrição mecânica quântica dos sólidos. Isto permitiu aos cientistas compreender pela primeira vez como e porquê certos materiais conduzem a corrente eléctrica e como estas propriedades podem ser propositadamente modificadas. Por exemplo, os semicondutores, como o silício, puderam ser utilizados para produzir transístores, que revolucionaram a eletrónica e tornaram possíveis os computadores modernos.

Para poderem captar matematicamente a complexa interação entre os electrões e os núcleos atómicos e os seus movimentos num sólido, os físicos tiveram de fazer algumas simplificações. Assumiram, por exemplo, que os electrões leves de um átomo seguem sem qualquer atraso o movimento dos núcleos atómicos, muito mais pesados, numa rede cristalina. Durante várias décadas, esta aproximação de Born-Oppenheimer funcionou bem.

A aproximação falha em certos materiais

Agora, porém, investigadores da ETH Zurich e do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, em Hamburgo, demonstraram que os electrões em certos materiais respondem com um atraso. Além disso, este atraso depende do local onde os electrões estão localizados e do estado de energia que ocupam.

Recorrendo a experiências com resolução de attossegundo e a cálculos teóricos, Ursula Keller e Lukas Gallmann, do Departamento de Física do ETH, conseguiram provar que os electrões em materiais planos em camadas, os chamados MXenes, respondem ao movimento dos núcleos atómicos com um atraso apreciável. Os investigadores publicaram recentemente os seus resultados na revista científica Science. Estes resultados poderão contribuir para o desenvolvimento de novos dispositivos opto-electrónicos no futuro.

Efeito interessante em materiais semelhantes ao grafeno

A espetroscopia de attossegundos é utilizada pelos cientistas para estudar acontecimentos físicos com uma resolução temporal inimaginável, na ordem dos bilionésimos de bilionésimo de segundo (^10-18 segundos). Nos últimos trinta anos, os investigadores do ETH realizaram um trabalho pioneiro neste domínio. "Os fónons, ou vibrações da rede, não têm sido o nosso principal interesse porque são relativamente lentos", diz Sergej Neb, um pós-doutorado no grupo de Keller e primeiro autor do artigo. No entanto, ao estudar os fónons nos MXenes, ele e os seus colegas descobriram o inesperado atraso no movimento dos electrões.

Os MXenes são materiais bidimensionais semelhantes ao grafeno. O MXene estudado pelos investigadores do ETH é constituído por várias camadas em que os átomos de titânio, carbono e oxigénio se ligam entre si para formar uma rede. O material foi produzido por colegas do Departamento de Engenharia Mecânica e de Processos.

Mas como é que se podem estudar as vibrações da rede num material deste tipo? Os físicos conseguiram excitar as vibrações da rede no MXene utilizando um curto impulso de laser infravermelho. Depois disso, irradiaram o material com um impulso laser de attossegundo no ultravioleta extremo e mediram a quantidade de luz laser que atravessou o material.

Dependendo do comprimento de onda dos impulsos, os electrões do material podem ser excitados para absorver fotões ultravioleta e, assim, atingir níveis de energia mais elevados. Por fim, os investigadores repetiram a experiência sem excitar inicialmente as vibrações da rede. A partir da diferença entre os dois resultados, puderam então inferir o movimento dos electrões e dos núcleos atómicos.

Os electrões ficam para trás

Em particular, variando a separação no tempo entre os dois impulsos de laser de alguns femtossegundos (^10-15 segundos, ou seja, a milionésima parte do bilionésimo de segundo) até picossegundos (^10-12 segundos, ou seja, a milésima parte do bilionésimo de segundo), os físicos puderam determinar com muita precisão o atraso com que os electrões reagiram à excitação súbita das vibrações da rede.

"Obviamente, na aproximação padrão de Born-Oppenheimer não esperávamos qualquer atraso", diz Neb, "mas verificámos que os electrões estavam atrasados em relação aos núcleos atómicos até trinta femtossegundos - no mundo dos attoseconds, isso é muito tempo".

Por fim, os investigadores do ETH compararam os seus dados com os resultados de um modelo matemático desenvolvido pelos seus colegas de Hamburgo. A partir dessa comparação, conseguiram deduzir que as vibrações dos núcleos atómicos influenciam a distribuição espacial dos electrões, o que, por sua vez, altera o campo eletromagnético na vizinhança dos átomos na rede. Além disso, as interações entre os electrões desempenham um papel importante.

Mas há mais: a partir dos dados, Neb e os seus colegas puderam mesmo ver como se comportavam os electrões na vizinhança dos diferentes átomos do MXene. "Uma tal visão da dinâmica entre electrões e fónons ao nível de átomos individuais - e mesmo dependendo do seu estado, das ligações e da sua energia - não era possível até agora. Esta resolução pormenorizada só foi possível graças à nossa tecnologia de attosecond", explica Neb.

Os investigadores esperam que os seus novos conhecimentos sobre a interação entre os electrões e as vibrações da rede conduzam a modelos matemáticos mais precisos do que as aproximações habituais. Também se podem imaginar aplicações práticas. "O nosso método permite-nos medir a força de acoplamento entre os electrões e as vibrações da rede. A partir daí, podemos prever em que condições certos electrões contribuem mais ou menos fortemente para a condução do calor", acrescenta Neb.

Uma melhor compreensão do transporte de energia e de carga permite um maior controlo dos materiais e, por conseguinte, novas possibilidades de dispositivos opto-electrónicos à escala nanométrica. Ao mesmo tempo, os conhecimentos microscópicos sobre a condução de calor a nível atómico constituem um ponto de partida para o desenvolvimento de componentes electrónicos ainda mais pequenos e mais eficientes.