Pesquisadores do BESSY II confirmaram, pela primeira vez, de forma experimental, que um material pode apresentar propriedades eletrônicas verdadeiramente unidimensionais. A equipe estudou cadeias curtas de átomos de fósforo que se organizam naturalmente em ângulos específicos sobre uma superfície de prata. Aplicando técnicas avançadas de medição e análise, separaram os sinais provenientes de cadeias alinhadas em diferentes direções. Esse trabalho cuidadoso demonstrou que cada cadeia individual se comporta como um verdadeiro sistema eletrônico unidimensional.
As descobertas também apontam para uma mudança dramática no comportamento, dependendo da proximidade entre as cadeias. Quando as cadeias estão mais distantes, o material atua como um semicondutor. No entanto, se compactadas de maneira mais próxima, cálculos preveem que se comportariam como um metal.
De Materiais Bidimensionais para Um Dimensional
Todos os materiais são constituídos por átomos que se ligam de diferentes maneiras. Na maioria dos sólidos, os átomos se conectam tanto em um plano quanto verticalmente. Alguns elementos, como o carbono, podem formar 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.
Materiais bidimensionais atraíram intenso interesse devido às suas propriedades eletrônicas e ópticas incomuns. Estudos teóricos sugerem que a redução dos materiais ainda mais em estruturas unidimensionais poderia resultar em efeitos eletro-ópticos ainda mais notáveis.
Cadeias de Fósforo Auto-Organizadas em Prata
Em condições cuidadosamente controladas, átomos de fósforo podem se organizar em linhas retas curtas sobre um substrato de prata. Estruturalmente, essas linhas parecem unidimensionais. No entanto, cadeias vizinhas ainda podem interagir entre si pelos lados. Essas interações laterais podem alterar a estrutura eletrônica e potencialmente interromper o comportamento verdadeiramente unidimensional. Até agora, os pesquisadores não conseguiram medir claramente se os elétrons estavam realmente confinados a uma única dimensão.
“Por meio de uma avaliação muito minuciosa das medições no BESSY II, agora demonstramos que essas cadeias de fósforo realmente possuem uma estrutura eletrônica unidimensional”, diz o Professor Oliver Rader, chefe do departamento de Spin e Topologia em Materiais Quânticos do HZB.
O Dr. Andrei Varykhalov e colegas criaram e examinaram as cadeias de fósforo utilizando um microscópio de tunelamento por varredura a criogenia (STM). As imagens revelaram cadeias curtas de fósforo formando em três direções distintas ao longo da superfície de prata, cada uma delas separada por ângulos de 120 graus.
ARPES Revela Verdaeira Estrutura Eletrônica 1D
“Obtivemos resultados de alta qualidade, permitindo-nos observar ondas estacionárias de elétrons se formando entre as cadeias”, diz Varykhalov. A equipe então mapeou a estrutura eletrônica utilizando espectroscopia de fotoelétrons resolvida em ângulo (ARPES) no BESSY II, uma técnica na qual possuem vasta experiência.
Transição de Fase de Semicondutor para Metal Prevista
O Dr. Maxim Krivenkov e a Dr. Maryam Sajedi desempenharam um papel fundamental na interpretação dos dados. Ao separar cuidadosamente as contribuições dos três domínios de cadeias orientadas de maneira distinta, conseguiram isolar a assinatura eletrônica de cada cadeia. “Conseguimos desentrelaçar os sinais de ARPES desses domínios e, assim, demonstrar que essas cadeias de fósforo 1D realmente possuem uma estrutura eletrônica 1D muito distinta”, afirma Krivenkov.
Cálculos baseados na teoria do funcional de densidade apoiam os resultados experimentais e sugerem uma mudança importante à medida que as cadeias se aproximam. Interações mais fortes entre as cadeias vizinhas devem desencadear uma transição de fase de semicondutor para metal à medida que a densidade das cadeias aumenta. Em outras palavras, se as cadeias formarem um arranjo bidimensional compactado, o material se comportaria como um metal.
“Entramos em um novo campo de pesquisa aqui, um território inexplorado onde muitas descobertas empolgantes devem ser feitas”, diz Varykhalov.
