Físicos transformam a luz em matéria para encontrar singularidades quânticas

Experimentos que imitam materiais sólidos com ondas de luz revelam a base quântica de efeitos físicos exóticos

Muitos materiais aparentemente mundanos, como o aço inoxidável em geladeiras ou o quartzo em uma bancada, abrigam uma física fascinante dentro deles. Esses materiais são cristais, o que em física significa que eles são feitos de padrões repetidos altamente ordenados de átomos regularmente espaçados chamados redes atômicas. A forma como os elétrons se movem através de uma rede, saltando de átomo para átomo, determina muitas das propriedades de um sólido, como sua cor, transparência e capacidade de conduzir calor e eletricidade. Por exemplo, os metais são brilhantes porque contêm muitos elétrons livres que podem absorver a luz e depois reemiti-la, fazendo com que suas superfícies brilhem.

Em certos cristais, o comportamento dos elétrons pode criar propriedades muito mais exóticas. A maneira como os elétrons se movem dentro do grafeno – um cristal feito de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal – produz uma versão extrema de um efeito quântico chamado tunelamento, pelo qual as partículas podem atravessar barreiras de energia que a física clássica diz que deveriam bloqueá-las. O grafeno também apresenta um fenômeno chamado efeito Hall quântico: a quantidade de eletricidade que ele conduz aumenta em etapas específicas cujo tamanho depende de duas constantes fundamentais do universo. Esses tipos de propriedades tornam o grafeno intrinsecamente interessante, bem como potencialmente útil em aplicações que vão desde melhores eletrônicos e armazenamento de energia até dispositivos biomédicos aprimorados.

Eu e outros físicos gostaríamos de entender o que está acontecendo dentro do grafeno em nível atômico, mas é difícil observar a ação nessa escala com a tecnologia atual. Os elétrons se movem rápido demais para capturarmos os detalhes que queremos ver. No entanto, encontramos uma maneira inteligente de contornar essa limitação, transformando a luz em matéria. No lugar da rede atômica, usamos ondas de luz para criar o que chamamos de rede óptica. Nossa rede óptica tem exatamente a mesma geometria da rede atômica. Em um experimento recente, por exemplo, minha equipe e eu fizemos uma versão óptica do grafeno com a mesma estrutura de treliça em forma de favo de mel do padrão de carbono. Em nosso sistema, fazemos átomos frios pularem em torno de uma estrutura de luz brilhante e fraca, assim como os elétrons saltam em torno dos átomos de carbono no grafeno.

Com átomos frios em uma rede óptica, podemos ampliar o sistema e desacelerar o processo de salto o suficiente para realmente ver as partículas saltando e fazer medições do processo. Nosso sistema não é uma emulação perfeita do grafeno, mas para entender os fenômenos que nos interessam, é tão bom quanto. Podemos até estudar a física da rede de maneiras que são impossíveis em cristais de estado sólido. Nossos experimentos revelaram propriedades especiais de nosso material sintético que estão diretamente relacionadas à física bizarra que se manifesta no grafeno.

Os fenômenos cristalinos que investigamos resultam da maneira como a mecânica quântica limita o movimento de partículas semelhantes a ondas. Afinal, embora os elétrons em um cristal tenham massa, eles são partículas e ondas (o mesmo vale para nossos átomos ultrafrios). Em um cristal sólido, esses limites restringem um único elétron em um único átomo a apenas um valor de energia para cada padrão de movimento possível (chamado de estado quântico). Todas as outras quantidades de energia são proibidas. Estados diferentes têm valores de energia separados e distintos — discretos. Mas um pedaço de cristal sólido do tamanho de uma uva normalmente contém mais átomos (cerca de 1023) do que grãos de areia na Terra. As interações entre esses átomos e elétrons fazem com que os valores de energia discretos permitidos se espalhem e se espalhem em faixas permitidas de energia chamadas bandas. A visualização da estrutura da banda de energia de um material pode revelar imediatamente algo sobre as propriedades desse material.

Por exemplo, um gráfico da estrutura de banda do cristal de silício, um material comum usado para fabricar células solares de telhado, mostra uma faixa de energia proibida – também conhecida como intervalo de banda – que é de 1,1 elétron-volts de largura. Se os elétrons puderem saltar de estados com energias abaixo dessa lacuna para estados com energias acima da lacuna, eles poderão fluir através do cristal. Felizmente para a humanidade, a banda proibida desse material abundante se sobrepõe bem aos comprimentos de onda presentes na luz solar. À medida que o cristal de silício absorve a luz solar, os elétrons começam a fluir através dele, permitindo que os painéis solares convertam a luz em eletricidade utilizável.