Eletrônica

Conheça o excitonium, novo estado da matéria finalmente comprovado

Redação do Site Inovação Tecnológica -  13/12/2017

Ilustração das quasipartículas excitons movendo-se coletivamente em um material semicondutor.[Imagem: Peter Abbamonte/Frederick Seitz/UIUC]

O que é excitonium?

Na década de 1960, o físico Bertrand Halperin cunhou o termo "excitonium" - ou excitônio - para descrever um estado exótico da matéria, no qual as cargas positivas e negativas se emparelham sem se anular. Desde então, vários experimentos demonstraram evidências de sua existência e abriram caminho para seu uso prático.

Mas nenhuma dessas demonstrações fora considerada definitiva até agora, porque elas deixavam em aberto possibilidades de outras explicações.

Nesta semana, duas equipes estão reportando resultados que trazem o excitonium definitivamente para os livros de física, sem mais ressalvas.

Excitons

Você não vai encontrar um pedaço de excitonium por aí e ele nem poderá ser minerado. O excitonium é um condensado, um sólido, mas que surge como propriedade de algum material. Esse "estado da matéria" emerge quando, no material base, formam-se quasipartículas chamadas excitons.

Os excitons são compostos por um par improvável: um elétron, que ganha energia e se desloca pela faixa de condução do material, e a "lacuna" que ele deixa ao se deslocar - lembre-se que o elétron representa uma carga negativa e a lacuna que ele deixa representa a carga positiva.

É aí que acontece o inusitado: o elétron e a lacuna se "emparelham", mas não se anulam - é a interação entre ambos que forma o exciton. E a movimentação dos excitons define o material como um excitonium.

"Isso é muito parecido com o processo que ocorre em um supercondutor, onde você tem elétrons atraídos um para o outro para formar pares que fluem sem resistência. No nosso caso, os elétrons emparelham com 'lacunas de elétrons' positivamente carregadas para criar um superfluido com uma carga líquida zero," explicou o professor Rui-Rui Du, da Universidade Rice, nos EUA.

A equipe da Universidade Rice comprovou a existência do excitônio usando duas camadas sobrepostas de semicondutores ultrapuros, o arseneto de índio e o antimoneto de gálio (InAs/GaSb). Já Anshul Kogar e colegas da Universidade de Illinois usaram disseleneto de titânio (1T-TiSe2), um metal de transição dicalcogeneto, uma classe de semicondutores que engloba a família da molibdenita.

Ilustração da movimentação dos excitons em uma dupla camada de semicondutores. [Imagem: R. Du/Rice University]

Aplicações do excitônio

Apesar de ser uma demonstração importante para a física, várias equipes já vêm trabalhando com os excitons há vários anos, havendo inclusive uma expectativa de seu uso na computação quântica.

Um experimento de 2008 mostrou que os excitons podem fazer uma ponte entre a computação eletrônica e a comunicação óptica. No ano seguinte, já se falava em um processador excitônico, comunicando-se diretamente por luz.

Desde então, os excitons têm sido associados com avanços em células solares, lasers de múltiplas cores, LEDs e vários outros.

Bibliografia:

Evidence for a topological excitonic insulator in InAs/GaSb bilayers
Lingjie Du, Xinwei Li, Wenkai Lou, Gerard Sullivan, Kai Chang, Junichiro Kono, Rui-Rui Du
Nature
Vol.: 8, Article number: 1971
DOI: 10.1038/s41467-017-01988-1

Signatures of exciton condensation in a transition metal dichalcogenide
Anshul Kogar, Melinda S. Rak, Sean Vig, Ali A. Husain, Felix Flicker, Young Il Joe, Luc Venema, Greg J. MacDougall, Tai C. Chiang, Eduardo Fradkin, Jasper van Wezel, Peter Abbamonte
Science
Vol.: 358, Issue 6368, pp. 1314-1317
DOI: 10.1126/science.aam6432