Os investigadores do BESSY II confirmaram, pela primeira vez, experimentalmente que um material pode de facto exibir propriedades electrónicas unidimensionais. A equipe estudou cadeias curtas de átomos de fósforo que se organizam naturalmente em ângulos específicos em uma superfície prateada. Ao aplicar técnicas avançadas de medição e análise, eles isolaram os sinais provenientes da cadeia alinhada em diferentes direções. Este trabalho cuidadoso mostrou que cada cadeia individual se comporta como um verdadeiro sistema eletrônico unidimensional.
Os resultados também apontam para uma mudança dramática no comportamento dependendo da distância entre as cadeias. Quando as cadeias estão mais afastadas, o material atua como um semicondutor. Se bem embalados, entretanto, os cálculos prevêem que ele se comportará como um metal.
De elementos bidimensionais a uma dimensão
Todos os materiais são feitos de átomos que se combinam em diferentes padrões. Na maioria dos sólidos, os átomos estão alinhados num plano e verticalmente. Alguns elementos, como o carbono, podem formar o grafeno, uma rede hexagonal bidimensional (2D) na qual os átomos se ligam em apenas uma camada. O fósforo também é capaz de formar estruturas 2D estáveis.
Materiais bidimensionais têm atraído intenso interesse devido às suas propriedades eletrônicas e ópticas incomuns. Estudos teóricos sugerem que materiais comprimidos ainda mais em estruturas unidimensionais podem produzir efeitos eletro-ópticos mais significativos.
Correntes de fósforo automontadas em prata
Sob condições cuidadosamente controladas, os átomos de fósforo podem organizar-se em linhas curtas e retas 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 claramente se os próprios electrões estavam confinados a uma única dimensão.
“Através de uma avaliação muito completa das medições no BESSY II, mostramos agora que tais cadeias de fósforo têm de fato uma estrutura eletrônica unidimensional”, disse o professor Oliver Rader, chefe de rotação e topologia do Departamento de Materiais Quânticos do HZB.
Andrei Varikhalov e colegas criaram e examinaram pela primeira vez cadeias de fósforo usando um microscópio de tunelamento criogênico (STM). As imagens revelaram que cadeias curtas de fósforo se formaram na superfície da prata em três direções distintas, cada uma separada por um ângulo de 120 graus.
ARPES revela a verdadeira estrutura eletrônica 1D
“Alcançamos resultados de altíssima qualidade, permitindo-nos observar as ondas estacionárias de elétrons criadas dentro das cadeias”, disse Varikhalov. 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.
Transições de fase previstas de semicondutores para metal
Maxim Krivenkov e Dra. Mariam Sajedi desempenharam um papel fundamental na interpretação dos dados. Ao separar cuidadosamente as contribuições de três domínios de cadeias orientadas diferentes, eles conseguiram distinguir a assinatura eletrônica de cada cadeia. “Poderíamos isolar os sinais ARPES desses domínios e, assim, demonstrar que essas cadeias de fósforo 1D possuem, na verdade, uma estrutura eletrônica 1D muito distinta”, diz Krivenkov.
Cálculos baseados na teoria do funcional da densidade apoiam os resultados experimentais e sugerem uma transição importante à medida que as cadeias se aproximam. Prevê-se que fortes interações entre cadeias vizinhas desencadeiem uma transição de fase do semicondutor para o metal à medida que a densidade da cadeia aumenta. Em outras palavras, se as cadeias formarem uma matriz bidimensional compactada, o material se comportará como um metal.
“Aqui entrámos num novo campo de investigação, num território desconhecido com potencial para muitas descobertas emocionantes”, disse Varikhalov.
