Elétrons: Três descobertas mostram o quão pouco sabemos sobre eles

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/10/2021

A cortina de luz é tão forte que funciona como uma parede para os elétrons.
[Imagem: UCL]

Novidades sobre os elétrons

Virtualmente toda a nossa tecnologia se baseia nos elétrons: Tudo o que é elétrico ou eletrônico depende do movimento dessas partículas/ondas imortais.

Isso poderia levar a crer que entendemos tudo sobre eles, mas nada mais longe da verdade.

Além de não sabermos sequer se os elétrons são uma partícula única, apenas nos últimos meses vimos um cristal de elétrons, uma rede cristalina de elétrons, elétrons espiralantes e até elétrons com massa negativa sendo detectados pela primeira vez.

E não pára por aí. Desta vez, temos nada menos do que três novidades sobre os elétrons divulgadas simultaneamente.

Luz pára elétrons

A pressão de radiação da luz é bem conhecida, e explorada nas velas solares, por exemplo.

Mas será que a luz, formada por fótons de massa desprezível (a massa dos fótons é relativística, determinada pelo seu momento), seria forte o suficiente para impactar um elétron, por exemplo?

As teorias dizem que sim, algo que os físicos chamam de "reação de radiação": Se a luz for forte o suficiente, o elétron pode ser chacoalhado tão violentamente que ele perde energia e, por decorrência, sua velocidade diminui.

Essa teoria é usada para pensar situações extremas, como buracos negros e quasares, onde se acredita haver energias de magnitudes suficientes para gerar essas colisões fóton-elétron com efeitos mensuráveis. E a reação de radiação também é importante nos estudos da física quântica, uma vez que as equações de Maxwell não têm poder explicativo nesses ambientes extremos.

Agora, pela primeira vez, Jason Cole e seus colegas do Imperial College de Londres conseguiram medir a reação de radiação em laboratório, comprovando experimentalmente sua existência.

Eles foram capazes de observar esta reação de radiação colidindo um feixe de laser um quatrilhão (um bilhão de milhões) de vezes mais brilhante do que a luz na superfície do Sol com um feixe de elétrons de alta energia. Quando os elétrons alcançavam os fótons dessa "cortina de luz", eles praticamente paravam, enquanto os fótons ganhavam energia, passando de luz visível para raios gama de altíssima energia.

"Os elétrons são parados com a mesma eficácia por esta folha de luz, com uma fração de largura de um fio de cabelo, como por algo como um milímetro de chumbo. Isso é extraordinário," disse o professor Alec Thomas.

Os dados do experimento também concordam melhor com um modelo teórico baseado nos princípios da eletrodinâmica quântica, em vez das equações de Maxwell, fornecendo algumas das primeiras evidências de modelos quânticos que nunca haviam sido testados experimentalmente.

Elétrons podem fluir como um líquido também na matéria comum.
[Imagem: MPI/CPfS]

Elétrons movendo-se como líquido

Embora os elétrons movam-se pelos materiais de forma parecida com um gás, em 2019 as coisas começaram a mudar, com a demonstração experimental de um exótico líquido de elétrons.

Os avanços prosseguiram em 2020, com a observação de elétrons se movimentando de modo similar a um líquido em materiais monoatômicos, como grafeno. E, há cerca de um mês, esse mesmo fenômeno dos elétrons fluindo como líquido foi observado em um supercondutor.

Agora, uma equipe da Alemanha e dos EUA mostrou que o movimento hidrodinâmico dos elétrons pode ocorrer inclusive em materiais comuns, tridimensionais (3D).

Para isso, a equipe criou sensores ultraprecisos usando vacâncias de nitrogênio no diamante, pequenos defeitos que estão sendo explorados como sensores e para criar qubits para computadores quânticos. Esses sensores conseguiram capturar imagens do campo magnético local de um fluxo de corrente elétrica em um material chamado ditelureto de tungstênio, revelando o comportamento totalmente diferenciado dos elétrons.

O fluxo elétrico hidrodinâmico depende de fortes interações entre os próprios elétrons, assim como a água e outros fluidos dependem de fortes interações entre suas moléculas.

"A capacidade de criar imagens e controlar esses fluxos hidrodinâmicos em condutores tridimensionais em função da temperatura abre a possibilidade de criar eletrônicos quase sem dissipação [de calor] em dispositivos em nanoescala, bem como fornece novos insights sobre a compreensão das interações elétron-elétron," disse Georgios Varnavides, um dos autores do estudo. "A pesquisa também abre caminho para explorar o comportamento não clássico dos fluidos no fluxo hidrodinâmico de elétrons, como vórtices em estado estacionário."

Sempre se soube que elétrons interagiam uns com os outros, mas ninguém até hoje havia conseguido medir essas interações.
[Imagem: Adbhut Gupta et al. - 10.1038/s41467-021-25327-7]

Elétrons interagindo com elétrons

Quando os elétrons fluem através de um fio metálico, eles colidem com impurezas do metal e uns com os outros, perdendo energia e liberando calor - essa interação com as impurezas é bem conhecida.

Mas ninguém até hoje havia conseguido estudar em detalhes o efeito dos elétrons se chocando uns com os outros, algo que é crucial no estudo da supercondutividade, por exemplo.

Adbhut Gupta e colegas da Universidade Técnica da Virgínia, nos EUA, conseguiram fazer isto pela primeira vez.

Eles precisavam de três condições básicas para fazer seu experimento: Baixas temperaturas, um campo magnético para fazer os elétrons girarem em órbitas definidas e materiais ultrapuros, para que os elétrons se chocassem apenas entre eles. O objetivo era simples: Medir a distância que os elétrons viajariam em suas órbitas antes de encontrarem outros elétrons e se chocassem, fugindo das órbitas.

O experimento não apenas funcionou, como mostrou resultados bem mais fortes do que aqueles previstos pela teoria, algo que merecerá novos estudos teóricos e novos experimentos de confirmação.

No entanto, esta não foi a única surpresa que o experimento revelou. Como vimos na descoberta anterior, experimentos recentes começaram a mostrar que, em certos materiais e sob determinadas condições, grupos de elétrons fluem coletivamente e se comportam como um líquido.

Mas o que apareceu aqui foi mais complicado: Os elétrons fluíram em vórtices, como redemoinhos, algo que ainda está por ser explicado. Embora os redemoinhos magnéticos, chamados skyrmions, sejam bem conhecidos, esses redemoinhos elétricos são uma novidade.

"Os redemoinhos persistem mesmo que as interações entre os elétrons sejam muito fracas," disse Gupta. "Neste ponto, não se sabe muito sobre esse comportamento coletivo no limite da interação fraca. É um fenômeno novo, que uma única partícula não teria mostrado. O nosso é o primeiro experimento a sugerir esse tipo de comportamento coletivo."

• Microscópio do tempo promete revelar segredos dos elétrons

Bibliografia:

Artigo: Experimental Evidence of Radiation Reaction in the Collision of a High-Intensity Laser Pulse with a Laser-Wakefield Accelerated Electron Beam
Autores: Jason M. Cole, K. T. Behm, E. Gerstmayr, T. G. Blackburn, J. C. Wood, C. D. Baird, M. J. Duff, C. Harvey, A. Ilderton, A. S. Joglekar, K. Krushelnick, S. Kuschel, M. Marklund, P. McKenna, C. D. Murphy, K. Poder, C. P. Ridgers, G. M. Samarin, G. Sarri, D. R. Symes, A. G. R. Thomas, J. Warwick, M. Zepf, Z. Najmudin, S. P. D. Mangles
Revista: Physical Review X
Vol.: 8, 011020
DOI: 10.1103/PhysRevX.8.011020

Artigo: Imaging phonon-mediated hydrodynamic flow in WTe2
Autores: Uri Vool, Assaf Hamo, Georgios Varnavides, Yaxian Wang, Tony X. Zhou, Nitesh Kumar, Yuliya Dovzhenko, Ziwei Qiu, Christina A. C. Garcia, Andrew T. Pierce, Johannes Gooth, Polina Anikeeva, Claudia Felser, Prineha Narang, Amir Yacoby
Revista: Nature Physics
Vol.: 12, Article number: 5048
DOI: 10.1038/s41567-021-01341-w

Artigo: Precision measurement of electron-electron scattering in GaAs/AlGaAs using transverse magnetic focusing
Autores: Adbhut Gupta, J. J. Heremans, Gitansh Kataria, Mani Chandra, S. Fallahi, G. C. Gardner, M. J. Manfra
Revista: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-021-25327-7