Ao fotografar um ponto quântico, físicos capturaram o formato detalhado da função de onda dos elétrons em seu interior.
[Imagem: Zhehao Ge/Frederic Joucken/Jairo Velasco Jr.]

Pode ser muito fácil imaginar uma partícula, porém não é tão simples imaginar uma onda fundamental, uma onda que não ondula em nada, por assim dizer.

Essa é a realidade encarada pela física de hoje em dia, que lida muito bem com as ondas, mas está tendo dificuldades com o bóson de Higgs, que deveria explicar quando é que as ondas ganham materialidade (quando elas viram partículas), já que os elementos atômicos e subatômicos comportam-se tanto como ondas quanto como partículas.

Se diz assim, que a descrição matemática das ondas, a tal função de onda, é a matemática que virou realidade.

E essa realidade agora se tornou visível: Zhehao Ge e seus colegas da Universidade da Califórnia de Santa Cruz fotografaram a função de onda.


Imagem de um ponto quântico

Ge estava tentando resistrar em fotografia um ponto quântico, uma espécie de poço onde elétrons caem e ficam presos, formando uma estrutura semicondutora. Embora eles já são usados pela indústria na fabricação de telas e monitores, células solares e LEDs, a física fundamental dos pontos quânticos ainda está distante de ser totalmente descrita.

Como os elétrons ficam se embaralhando em uma área minúscula, eles constantemente ficam em superposição, o fenômeno quântico que permite que uma partícula guarde vários dados ao mesmo tempo. Isso quer dizer que essas nanoestruturas semicondutoras poderão vir a ser usadas como qubits para a computação quântica, e qubits já fabricados em escala industrial são tudo o que os engenheiros podem querer.

"Tem havido um bocado de trabalho para desenvolver este sistema para a ciência da informação quântica, mas ainda nos falta uma compreensão de como os elétrons se parecem nesses pontos quânticos," disse o professor Jairo Velasco.

Ge conseguiu fotografar o ponto quântico construindo um em duas camadas sobrepostas de grafeno, por sua vez depositadas sobre uma camada isolante de nitreto de boro. Uma alta tensão disparada na estrutura, usando a ponta de um microscópio de tunelamento, cria cargas no nitreto de boro que servem para confinar eletrostaticamente os elétrons na bicamada de grafeno.

O que ele não esperava é que aparecesse na foto uma coisa bem interessante e bem vinda: A imagem permite ver claramente cada "elétron-onda", ou onda eletrônica, o elétron entendido como uma onda, e não como uma partícula.


Esquema do ponto quântico e sua visualização direta.
[Imagem: Zhehao Ge et al. - 10.1021/acs.nanolett.0c03453]

Imagem da função de onda

Ao contrário do que previa a teoia, com o campo elétrico funcionando como uma cerca para prender os elétrons, o que a imagem mostra é o que os físicos chamam de "quebra de simetria rotacional", com três picos, em vez das esperadas ondas concêntricas.


"Nós vemos anéis circularmente simétricos nas monocamadas de grafeno, mas no grafeno de duas camadas os estados dos pontos quânticos têm uma simetria tripla," disse Velasco. "Os picos representam locais de alta amplitude na função de onda. Os elétrons têm uma natureza dual onda/partícula e estamos visualizando as propriedades de onda do elétron no ponto quântico."


Além de uma curiosidade histórica e de ser mais um sucesso da teoria quântica, a compreensão da natureza da função de onda é muito importante porque esta propriedade básica determina várias características relevantes para o processamento de informações quânticas, como o espectro de energia do elétron, as interações entre os elétrons e o acoplamento dos elétrons ao seu ambiente.

"Isto está avançando nossa compreensão fundamental do sistema e seu potencial para tecnologias de informação quântica", disse Velasco. "É uma peça que faltava no quebra-cabeça e, em conjunto com o trabalho de outros, eu acredito que estamos caminhando para torná-lo um sistema útil."


Bibliografia:

Artigo: Visualization and Manipulation of Bilayer Graphene Quantum Dots with Broken Rotational Symmetry and Nontrivial Topology

Autores: Zhehao Ge, Frederic Joucken, Eberth Quezada, Diego R. da Costa, John Davenport, Brian Giraldo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Nobuhiko P. Kobayashi, Tony Low, Jairo Velasco Jr.R

Revista Nano Letters

DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03453


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