Um microscópio eletrônico permite agora distinguir, na escala de colunas de átomos, como certos elétrons se distribuem ao redor deles.
Para compreender esse resultado, é preciso esquecer a imagem de elétrons girando ao redor do núcleo como planetas. Na mecânica quântica, descrevemos regiões onde eles têm maior probabilidade de estar presentes. Essas regiões são chamadas orbitais. Sua forma e orientação podem variar de acordo com o ambiente do átomo.
Um átomo de hélio com sua nuvem de elétrons
Imagem Wikimedia
Uma orbital representa aqui a área onde os elétrons têm maior probabilidade de ser encontrados. Algumas orbitais são alongadas em uma direção específica. Em outras palavras, a «nuvem» associada aos elétrons pode se estender mais verticalmente ou, ao contrário, no plano do material.
Essa orientação é importante porque influencia a maneira como os elétrons podem se deslocar e interagir em um sólido. Ela pode, portanto, contribuir para suas propriedades elétricas ou magnéticas. Até agora, os raios X já permitiam estudar esse fenômeno, mas principalmente na forma de uma média envolvendo muitos átomos.
O novo método permite uma análise muito mais local.
Roger Guzman e seus colegas utilizam um microscópio eletrônico de transmissão. Um feixe de elétrons extremamente fino atravessa uma amostra muito delgada. Após sua passagem, os cientistas medem a energia perdida pelos elétrons do feixe e a direção na qual foram desviados.
O truque consiste em comparar o sinal obtido em duas direções perpendiculares. Se os elétrons do material ocuparem mais uma orbital orientada em determinada direção, essa diferença aparecerá nas medições. O microscópio pode repetir a operação deslocando seu feixe de um ponto a outro da amostra.
O resultado é um mapa da organização eletrônica do material. Sua resolução é inferior a um ångström, ou seja, menos de 0,1 nanômetro. Os autores alcançam assim uma sensibilidade correspondente a uma única coluna atômica. Uma coluna designa aqui vários átomos alinhados na direção atravessada pelo feixe do microscópio.
Para verificar o método, a equipe estudou camadas finas de um óxido contendo manganês. Algumas eram comprimidas pelo suporte, enquanto outras eram ligeiramente estiradas. Nos dois casos, os elétrons do manganês privilegiavam orbitais diferentes. O resultado corresponde às tendências já observadas em medições com raios X.
Essa precisão se torna particularmente interessante perto de um defeito ou na fronteira entre dois materiais. Nesses locais, a organização dos elétrons pode mudar em apenas alguns átomos e desaparecer em uma medição média. Os autores agora querem usar essa técnica para estudar essas variações locais em materiais quânticos e interfaces artificiais.