Cientistas confirmam comportamento unidimensional de elétrons em cadeias de fósforo

As descobertas também apontam para uma mudança dramática no comportamento, dependendo da distância entre as cadeias. Quando as cadeias estão mais distantes, o material atua como um semicondutor. Se bem compactados, no entanto, os cálculos prevêem que se comportaria como um metal.

De materiais bidimensionais a unidimensionais

Todos os materiais são construídos a partir de átomos que se unem em diferentes padrões. Na maioria dos sólidos, os átomos se conectam tanto dentro de um plano quanto verticalmente. Alguns elementos, como o carbono, podem formar o grafeno, uma rede hexagonal bidimensional (2D) na qual os átomos se ligam apenas dentro de uma única camada. O fósforo também é capaz de formar estruturas 2D estáveis.

Os materiais bidimensionais têm atraído intenso interesse devido às suas propriedades eletrônicas e ópticas incomuns. Estudos teóricos sugerem que encolher ainda mais os materiais em estruturas unidimensionais poderia 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 curtas e retas sobre um substrato de prata. Estruturalmente, essas linhas parecem unidimensionais. No entanto, 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 tinham conseguido 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 realmente têm uma estrutura eletrônica unidimensional”, diz o professor Oliver Rader, chefe do departamento de Spin e Topologia em Materiais Quânticos do HZB.

Andrei Varykhalov e colegas criaram e examinaram pela primeira vez as cadeias de fósforo usando um microscópio de tunelamento de varredura criogênica (STM). As imagens revelaram pequenas cadeias de fósforo formando-se em três direções distintas na superfície da prata, cada uma separada por ângulos de 120 graus.

ARPES revela verdadeira estrutura eletrônica 1D

“Obtivemos resultados de altíssima qualidade, que nos permitiram observar ondas estacionárias de elétrons se formando 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

Maxim Krivenkov e Dra. Maryam Sajedi desempenharam um papel fundamental na interpretação dos dados. Ao separar cuidadosamente as contribuições dos três domínios da cadeia com orientação diferente, 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 possuem uma estrutura eletrônica 1D muito distinta”, diz Krivenkov.

Cálculos baseados na teoria do funcional da densidade apoiam os resultados experimentais e sugerem uma mudança importante à medida que as cadeias se aproximam. Prevê-se que interações mais fortes 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 formassem uma matriz bidimensional compactada, o material se comportaria como um metal.

“Entramos aqui num novo campo de investigação, um território desconhecido onde é provável que sejam feitas muitas descobertas interessantes”, diz Varykhalov.