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Os" filhos" do életron: Spíons e Hólons

Desde a contribuição de Thomson com a descoberta do elétron, muitos estudos têm sido realizados, investigando o elétron. Cientistas coreanos e norte-americanos, trabalhando conjuntamente, comprovaram a existência de duas novas partículas intrinsecamente ligadas também aos elétrons: os spínons e os hólons. Esta descoberta tem implicações em várias áreas, como os supercondutores de alta temperatura, os nanofios (ou fios quânticos) e a spintrônica. Os fios quânticos são largamente utilizados para conectar pontos quânticos, que estão sendo usados em experimentos de computação quântica, entre outros.

Os cientistas começavam a descobrir a anatomia do átomo e queriam perceber o seu comportamento, especificamente, o mecanismo que permitia a combinação dos átomos de certos elementos com os de outros para formarem novas substâncias. Um elétron, apesar de parecer não ter tamanho e nem poder ser isolado, tem duas propriedades, uma elétrica e outra magnética. A propriedade elétrica é a carga do elétron. A propriedade magnética é o seu spin, que pode ser entendido como a direção na qual o elétron gira. Quando os elétrons estão em um metal, eles se repelem, por terem todos carga negativa. Mas, quando eles são confinados em um nanofio unidimensional (também chamado fio quântico), fica muito difícil para que um elétron se afaste do outro. Para isto, é necessário colocar o fio quântico próximo o suficiente de um metal para que os elétrons possam “saltar” para o nanofio, por meio de um processo chamado tunelamento quântico.

O “trauma” da aproximação entre eles é tão grande que o elétron cinde sua “personalidade”, dividindo-se em hólon e spínon, mandando sua carga elétrica para um lado e seu giro magnético para o outro. É algo estranho, imagine se você pudesse separar a beleza e a simpatia de alguém e vê-las isoladas daquela pessoa, ou imagine ver o seu carro indo para um lado e as rodas dele indo para o outro. A comprovação da existência dos spínons e dos hólons foi feita utilizando amostras unidimensionais de óxido de cobre (SrCuO2), aplicando uma técnica chamada ARPES (“Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy”). A ARPES é uma ferramenta adequada para a observação de efeitos envolvendo conjuntos de elétrons, inclusive a separação carga-spin. A idéia por trás da separação carga-spin é que os elétrons se comportam de forma diferente quando sua possibilidade de movimentação fica restrita a uma única dimensão. Enfileirados uns após os outros, as forças repulsivas entre suas cargas elétricas negativas se tornam amplamente dominantes. É esse efeito coletivo que se torna forte o suficiente para quebrar a informação de spin e carga de um único elétron.

Na ARPES, raios-X aplicados a uma amostra causam a emissão de elétrons, graças ao efeito fotoelétrico. Medindo a energia cinética dos elétrons emitidos e os ângulos nos quais eles são expelidos, obtém-se sua velocidade e sua taxa de dispersão – as quais contêm um quadro detalhado do espectro de energia do elétron. Normalmente, a retirada de um elétron de um cristal cria uma lacuna, um espaço vago de energia, de carga positiva. Esta lacuna contém informação tanto do spin quanto da carga, revelados num único pico do espectro lido no ARPES. Se ocorrer a separação carga-spin, a lacuna decai em um spínon e em um hólon, observando-se dois picos no espectro ARPES.

Spinons e Holons - Separação spin-carga


é aquímica sendo expandida…

by Bruno Leite

Bibliografia:

Distinct spinon and holon dispersions in photoemission spectral functions from one-dimensional SrCuO2
Changyoung Kim, Eli Rotenberg, Zhi-Xun Shen, Bum Joon Kim, Hoon Koh, S.J. Oh, H. Eisaki, N. Motoyama, S. Uchida, T. Tohyama, S. Maekawa
Nature-Physics
01 Jun 2006
Vol.: 2, 397-401

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