Pesquisadores da Universidade Ludwig-Maximilians de Munique (LMU) observaram, pela primeira vez, a formação de polarons em tempo real em um semicondutor polar. O experimento, liderado pelo professor Jochen Feldmann e realizado com apoio do professor Zhi-Heng Loh, da Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU), em Singapura, confirmou previsões teóricas de quase um século sobre perda de energia e aumento de massa de elétrons em redes cristalinas.
O que são polarons
Quando um elétron atravessa um cristal polar, sua carga negativa atrai os núcleos atômicos positivos, deformando a rede ao redor. O elétron e essa distorção passam a deslocar-se juntos, formando o quasipartícula conhecida como polaron. A ideia foi proposta em 1933 por Lev Landau e formalizada na década de 1950 por Herbert Fröhlich, que previu ganho de massa efetiva e queda de energia do elétron devido a um “nuvem” de fônons (vibrações da rede).
Como o experimento foi feito
A equipe utilizou microscopia de fotoemissão com resolução temporal (time-resolved photoemission electron microscopy), técnica que combina pulsos ultrarrápidos de laser com microscopia de fotoelétrons. O procedimento envolve dois pulsos: o primeiro excita um elétron para a banda de condução do semicondutor; o segundo extrai esse elétron, que então viaja a vácuo até o detector.
Ao medir o tempo de voo e o ângulo de saída de mais de um milhão de elétrons, os cientistas calcularam a energia e a massa efetiva durante o processo de formação do polaron em nanoplaquetas de BiOI (bismuto oxi-iodeto).
Resultados principais
Os dados mostraram que, em 160 femtossegundos, o elétron sofreu redução de energia e duplicou a massa efetiva, exatamente como previu o modelo de Fröhlich. Segundo Feldmann, as fórmulas teóricas “descrevem muito bem” o fenômeno observado.
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Possíveis aplicações
Compreender a formação de polarons ajuda a explicar a mobilidade de elétrons em semicondutores polares e pode orientar o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e fotocatalisadores. Feldmann aponta a possibilidade de usar distorções mecânicas para iniciar reações fotocatalíticas, como a divisão de moléculas de água para produção de hidrogênio, diminuindo energias de ativação e elevando eficiências.
Com informações de Nanowerk
