Imagine um sapo em uma caixa com uma abertura em um dos lados. Se ele conseguirá escapar depende de quanta energia possui: se conseguir pular alto o suficiente, poderá teoricamente alcançar a abertura. Mas o sucesso exige mais do que apenas saltar alto – também requer ultrapassar a lacuna.
Os elétrons em materiais sólidos se comportam de maneira surpreendentemente semelhante. Quando ganham energia extra (por exemplo, quando o material é atingido por outros elétrons), às vezes podem se separar do sólido. Este processo é conhecido há décadas e constitui a base de muitas tecnologias. No entanto, até recentemente, os cientistas não conseguiam calculá-lo com precisão. Pesquisadores de vários grupos da Universidade Técnica de Viena encontraram agora uma solução. Assim como um sapo precisa encontrar a abertura certa, um elétron precisa encontrar uma “saída” específica, chamada de “estado de porta”.
Configuração simples, resultados inesperados
“A geração relativamente lenta de elétrons em sólidos desempenha um papel fundamental na física. Da energia desses elétrons podemos extrair informações valiosas sobre o material, “explica Anna Niggas do Instituto de Física Aplicada da TU Viena e primeira autora do estudo.
Dentro de qualquer material, os elétrons podem existir em uma faixa de energias. Enquanto caírem abaixo de um certo limite de energia, eles ficarão presos. Quando energia adicional é fornecida ao material, alguns elétrons podem transcender esse limite.
“Poderíamos pensar que todos esses elétrons deixariam o material assim que tivessem energia suficiente”, diz o professor Richard Wilhelm, chefe do Grupo de Física Atômica e de Plasma da TU Viena. “Se isso fosse verdade, seria simples: poderíamos apenas observar as energias dos elétrons dentro do material e deduzir diretamente quais elétrons deveriam estar do lado de fora. Mas, ao que parece, esse não é o caso.”
Os modelos teóricos e os resultados experimentais muitas vezes não coincidem. Esta incompatibilidade é particularmente intrigante porque “materiais diferentes – como estruturas de grafeno com diferentes números de camadas – podem ter níveis de energia electrónica muito semelhantes, mas mostram um comportamento completamente diferente nos electrões emitidos”, diz Anna Negas.
Sem porta, sem saída
A principal descoberta é que a energia por si só não determina se um elétron escapa. Alguns estados quânticos estão acima do limite de energia, mas ainda não podem ser derivados do material, um fato que faltava nos modelos anteriores. “Do ponto de vista energético, o elétron não está mais ligado ao sólido. Ele tem a energia de um elétron livre, mas ainda permanece na mesma posição no espaço que o sólido”, disse Richard Wilhelm. Os elétrons se comportam como sapos que saltam alto o suficiente, mas não conseguem encontrar a saída.
“Os elétrons precisam ocupar um estado muito específico – o chamado estado de porta”, explica o professor Florian Liebish, do Instituto de Física Teórica. “Esses estados estão intimamente ligados aos estados que são realmente derivados de sólidos. Nem todo estado com energia suficiente é um estado de porta – apenas aqueles que representam uma ‘porta aberta’ para o mundo exterior.”
“Mostramos pela primeira vez que a forma do espectro de energia do elétron depende não apenas do material em si, mas também de forma crucial se e onde existe tal estado de portão de ressonância”, diz Anna Niggas. Curiosamente, alguns destes estados só aparecem quando mais de cinco camadas de material são empilhadas. Essa visão oferece novas oportunidades para o projeto preciso e a aplicação de materiais em camadas em pesquisa e tecnologia avançada.
