Uma equipe de físicos da Universidade de Colônia resolveu um enigma de longa data na física da matéria condensada: eles observaram diretamente o efeito Kondo visível (o reagrupamento de elétrons em metais causado por impurezas magnéticas) em um átomo artificial. Isto não teve sucesso no passado porque a maioria das técnicas de medição muitas vezes não observam diretamente as órbitas magnéticas dos átomos.
No entanto, uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo Dr. Wouter Jolie, do Instituto de Física Experimental da Universidade de Colônia, usou uma nova técnica para observar o efeito Kondo em uma trilha artificial dentro de um fio unidimensional flutuando acima de uma folha de metal de grafeno. Eles relataram suas descobertas em um artigo publicado recentemente na Nature Physics.
Quando os elétrons que se movem no metal encontram átomos magnéticos, eles serão afetados pelo spin atômico – o spin atômico é o pólo magnético da partícula elementar. Para proteger a influência do spin atômico, o mar de elétrons se reúne próximo aos átomos, formando um novo estado de muitos corpos, denominado ressonância de Kondo. Freqüentemente usado para descrever a interação de metais com átomos magnéticos. No entanto, outros tipos de interações levam a características experimentais muito semelhantes, levantando questões sobre o papel do efeito Kondo em átomos magnéticos individuais na superfície.
Os físicos usaram um novo método experimental para mostrar que o seu fio unidimensional também é afetado pelo efeito Kondo: os elétrons no fio formam ondas estacionárias, que podem ser consideradas orbitais atômicos estendidos. Esta órbita artificial, seu acoplamento ao mar de elétrons e a mudança ressonante entre a órbita e o mar de elétrons podem ser visualizados com microscopia de varredura por tunelamento. Esta técnica experimental usa uma agulha de metal afiada para medir elétrons em resolução atômica. Isto permitiu à equipa de investigação medir o efeito Kondo com uma precisão incomparável.
"Para os átomos magnéticos na superfície, é como uma história: uma pessoa que nunca viu um elefante tenta imaginar sua forma tocando-o uma vez em um quarto escuro. Se você tocar apenas na tromba, o animal que você imagina é completamente diferente do lado se você tocá-lo", disse Camiel van Efferen, estudante de doutorado que conduziu o experimento. “Durante muito tempo, apenas as ressonâncias de Kondo foram medidas. Mas os sinais observados nessas medições poderiam ter outras explicações, assim como a tromba do elefante também poderia ser a de uma cobra.”
O grupo de pesquisa do Instituto de Física Experimental é especializado no crescimento e exploração de materiais bidimensionais (sólidos cristalinos constituídos por apenas algumas camadas de átomos), como o grafeno e o dissulfeto de molibdênio de camada única (MoS2). Eles descobriram que na interface de dois cristais de MoS2, um dos quais é uma imagem espelhada do outro, formam-se filamentos de átomos de metal.
Usando um microscópio de tunelamento de varredura, eles foram capazes de medir simultaneamente o estado magnético e a ressonância Kondo na temperatura surpreendentemente baixa de -272,75 graus Celsius (0,4 Kelvin), a temperatura na qual ocorre o efeito Kondo.
Correlação entre teoria e dados experimentais
"Embora as nossas medições não deixem dúvidas de que estamos a observar o efeito Kondo, ainda não sabemos como a nossa abordagem não convencional se compara às previsões teóricas," acrescenta Jolly. Para tanto, a equipe contou com a ajuda de dois físicos teóricos, o professor Achim Rosch da Universidade de Colônia e o Dr. Theo Costi do Centro de Pesquisa Jülich, ambos especialistas de renome mundial em física Kondo.
A análise dos dados experimentais no supercomputador de Jülich revelou que a ressonância de Kondo pode ser prevista com precisão com base no formato das órbitas artificiais nas linhas do campo magnético, verificando assim a previsão feita décadas atrás por Philip W. Anderson, um dos fundadores da física da matéria condensada.
Os cientistas estão agora a planear usar as suas linhas de campo magnético para estudar fenómenos ainda mais exóticos. "Ao colocar nossos fios unidimensionais em um supercondutor ou em um líquido de spin quântico, podemos criar estados de muitos corpos produzidos por quasipartículas que não sejam elétrons. Agora é possível ver claramente os fascinantes estados da matéria resultantes dessas interações, o que nos permitirá compreendê-los em um nível completamente novo, "explica Kamil van Efren.