Os pesquisadores do BESSY II demonstraram experimentalmente pela primeira vez que um material pode exibir verdadeiras propriedades eletrônicas unidimensionais. A equipe de pesquisa estudou cadeias curtas de átomos de fósforo que estão naturalmente dispostos em ângulos específicos na superfície da prata. Ao aplicar técnicas avançadas de medição e análise, eles separaram sinais 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 grandes mudanças no comportamento dependendo da distância entre as cadeias. Quando as cadeias estão distantes umas das outras, o material atua como um semicondutor. No entanto, se embalados juntos, os cálculos prevêem que se comportaria como um metal.
De materiais bidimensionais a unidimensionais
Todos os materiais são feitos de átomos unidos em diferentes padrões. Na maioria dos sólidos, os átomos estão conectados em planos e verticalmente. Alguns elementos, como o carbono, podem formar o grafeno, uma rede hexagonal bidimensional (2D) na qual os átomos estão ligados em apenas uma única camada. O fósforo também é capaz de formar estruturas bidimensionais estáveis.
Os materiais bidimensionais têm atraído considerável interesse devido às suas propriedades eletrônicas e ópticas incomuns. A pesquisa teórica mostra que encolher ainda mais o material em uma estrutura unidimensional pode produzir efeitos eletro-ópticos mais significativos.
Correntes de fósforo automontadas em prata
Sob condições cuidadosamente controladas, os átomos de fósforo podem ser organizados em linhas retas e curtas sobre um substrato de prata. Estruturalmente, as linhas parecem unidimensionais. No entanto, cadeias adjacentes ainda podem interagir de um lado. Essas interações laterais podem alterar a estrutura eletrônica e potencialmente perturbar o verdadeiro comportamento unidimensional. Até agora, os investigadores não conseguiram medir claramente se os próprios electrões estão confinados a uma única dimensão.
O professor Oliver Rader, chefe do Departamento de Spin e Topologia do Departamento de Materiais Quânticos do HZB, disse: “Através de uma avaliação muito completa das medições no BESSY II, mostramos agora que esta cadeia de fósforo realmente tem uma estrutura eletrônica unidimensional.”
Andrei Varykhalov e colegas criaram e examinaram pela primeira vez as cadeias de fósforo usando microscopia criogênica de tunelamento por varredura (STM). As imagens mostram que cadeias curtas de fósforo se formam em três direções diferentes na superfície da prata, cada uma com 120 graus de distância.
ARPES revela verdadeira estrutura eletrônica unidimensional
“Alcançamos resultados de altíssima qualidade que nos permitiram observar ondas estacionárias de elétrons formadas entre cadeias”, disse Valikharov. 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
Maxim Krivenkov e Dra. Maryam Sajedi desempenharam um papel fundamental na interpretação dos dados. Ao separar cuidadosamente as contribuições dos domínios da cadeia em três direções diferentes, eles conseguiram isolar a assinatura eletrônica de cada cadeia. “Conseguimos desembaraçar o sinal ARPES desses domínios e mostrar que essas cadeias unidimensionais de fósforo também têm estruturas eletrônicas unidimensionais únicas”, disse Krivenkov.
Cálculos baseados na teoria do funcional da densidade apoiam os resultados experimentais e mostram que transições importantes ocorrem à medida que as cadeias se aproximam. À medida que a densidade da cadeia aumenta, espera-se que interações mais fortes entre cadeias adjacentes desencadeiem a transição de fase do semicondutor para o metal. Em outras palavras, se as cadeias formarem uma matriz bidimensional compactada, o material se comportará como um metal.
“Estamos entrando aqui em uma nova área de pesquisa, um território desconhecido onde muitas descobertas interessantes podem ser feitas”, disse Valiharov.
