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 das geladeiras ou o quartzo das bancadas, abrigam uma física fascinante dentro deles. Esses materiais são cristais, o que em física significa que são feitos de padrões repetidos altamente ordenados de átomos regularmente espaçados, chamados de redes atômicas. A maneira como os elétrons se movem através de uma rede, saltando de átomo em átomo, determina muitas das propriedades de um sólido, como cor, transparência e capacidade de conduzir calor e eletricidade. Por exemplo, os metais são brilhantes porque contêm muitos elétrons livres que podem absorver luz e depois reemitir a maior parte dela, 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, por meio do 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 nesta escala com a tecnologia atual. Os elétrons se movem rápido demais para capturarmos os detalhes que queremos ver. No entanto, descobrimos 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 em favo de mel da versão padrão de carbono. Em nosso sistema, fazemos com que os átomos frios saltem em torno de uma rede 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 a compreensão dos fenômenos nos quais estamos interessados, é igualmente bom. Podemos até estudar a física das redes de maneiras impossíveis em cristais de estado sólido. Nossos experimentos revelaram propriedades especiais do 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 das partículas ondulatórias. Afinal, embora os elétrons em um cristal tenham massa, eles são partículas e ondas (o mesmo se aplica aos nossos átomos ultrafrios). Num 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 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 os elétrons fazem com que os valores discretos de energia 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 bandas do cristal de silício, um material comum usado para fabricar células solares em telhados, mostra uma faixa de energia proibida – também conhecida como banda proibida – com largura de 1,1 elétron-volts. 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 deste 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.