Pesquisadores do BESSY II confirmaram experimentalmente pela primeira vez que um material pode exibir propriedades eletrônicas verdadeiramente unidimensionais. A equipe estudou cadeias curtas de átomos de fósforo que estão naturalmente dispostos em certos ângulos na superfície da prata. Usando técnicas avançadas de medição e análise, eles separaram os sinais provenientes de cadeias alinhadas em diferentes direções. Este trabalho meticuloso mostrou que cada cadeia individual se comporta como um verdadeiro sistema eletrônico unidimensional.
As descobertas também mostram mudanças dramáticas no comportamento, dependendo da distância entre as cadeias. Quando as cadeias estão mais afastadas, o material atua como um semicondutor. No entanto, os cálculos prevêem que, se estiverem bem compactados, se comportarão como um metal.
De materiais bidimensionais para unidimensionais
Todos os materiais são compostos de átomos que se conectam entre si em diferentes padrões. Na maioria dos sólidos, os átomos estão conectados tanto no plano quanto verticalmente. Alguns elementos, como o carbono, podem formar o grafeno, uma rede hexagonal bidimensional (2D) na qual os átomos estão conectados em apenas uma camada. O fósforo também é capaz de formar estruturas bidimensionais estáveis.
Os materiais bidimensionais têm atraído grande interesse devido às suas propriedades eletrônicas e ópticas incomuns. Estudos teóricos mostram que a compressão ainda maior de materiais em estruturas unidimensionais pode produzir efeitos eletro-ópticos ainda mais notáveis.
Correntes de fósforo automontadas em prata
Sob condições cuidadosamente controladas, os átomos de fósforo podem organizar-se em linhas retas e curtas sobre um substrato de prata. Estruturalmente, essas linhas parecem unidimensionais. No entanto, as cadeias vizinhas ainda podem interagir umas com as outras lateralmente. Essas interações laterais podem alterar a estrutura eletrônica e potencialmente perturbar o verdadeiro comportamento unidimensional. Até agora, os investigadores não conseguiram medir com precisão se os próprios electrões estavam confinados a uma única dimensão.
“Através de uma avaliação muito cuidadosa das medições no BESSY II, mostramos que tais cadeias de fósforo têm uma estrutura eletrônica unidimensional”, diz o professor Oliver Rader, chefe de Spin e Topologia em Materiais Quânticos no HZB.
Andrei Varykhalov e seus colegas foram os primeiros a criar e estudar cadeias de fósforo usando um microscópio de tunelamento de varredura criogênica (STM). As imagens revelaram pequenas cadeias de fósforo formando-se em três direções diferentes na superfície da prata, cada uma separada por ângulos de 120 graus.
ARPES mostra a verdadeira estrutura eletrônica 1D
“Obtivemos resultados de altíssima qualidade, o que nos permitiu observar as ondas estacionárias de elétrons formadas entre as cadeias”, diz Varykhalov. A equipe então mapeou a estrutura eletrônica usando espectroscopia de fotoelétrons com resolução de ângulo (ARPES) no BESSY II, uma técnica na qual eles têm amplo conhecimento.
Transição de fase prevista de semicondutor para metal
Dr. Maksim Krivenkov e Dra. Maryam Sadjedi desempenharam um papel fundamental na interpretação dos dados. Ao separar cuidadosamente as contribuições de três domínios diferentes da cadeia, eles conseguiram isolar a assinatura eletrônica de cada cadeia. “Poderíamos desembaraçar os sinais ARPES desses domínios e, assim, demonstrar que essas cadeias de fósforo 1D também têm uma estrutura eletrônica 1D muito distinta”, diz Kriviankov.
Cálculos baseados na teoria do funcional da densidade confirmam os resultados experimentais e indicam uma mudança importante à medida que as cadeias se aproximam. Espera-se que uma interação mais forte entre cadeias vizinhas induza uma transição de fase semicondutor-metal à medida que a densidade da cadeia aumenta. Em outras palavras, quando as cadeias formam uma matriz bidimensional compacta, o material se comportará como um metal.
“Entramos num novo campo de investigação, um território inexplorado onde provavelmente serão feitas muitas descobertas interessantes”, diz Varykhalov.
