Início > Brazilian Politics, Politics, Science > Estrutura de bandas, ARPES e o LNLS 2

Estrutura de bandas, ARPES e o LNLS 2

domingo, 15 maio 2011; \19\UTC\UTC\k 19 Deixe um comentário Go to comments

Hoje em dia, muito do que se é feito sobre desenvolvimento e caracterização de novos materiais para nanoeletrônica (nanotubos de carbono, nanofios, grafeno, isolantes topológicos, …) pode ser entendido através da estrutura de banda. Em especial, as propriedades eletrônicas, magnéticas, químicas e ópticas dos materiais são determinadas por este tipo de informação. Entretanto, aqui no Brasil, determinar uma simples estrutura de banda não é tão simples quanto parece.

Estrutura de bandas

Quando estamos estudando sistemas periódicos como sólidos (1D, 2D ou 3D) a “dinâmica” dos elétrons (de valência) no material pode ser descrita através de um Hamiltoniano periódico

H = \displaystyle\sum_{\vec{R}} H_{\vec{R}},

onde \vec{R} são os vetores da rede de Bravais e H_{\vec{R}} é o Hamiltoniano dos elétrons numa única célula unitária localizada em \vec{R}.

Por ser periódico, uma das maneiras mais naturais de diagonalizar o operador Hamiltoniano é tomando a transformada de Fourier dele no espaço-k, o espaço dos vetores de onda. Assim, o Hamiltoniano toma a forma

H = \int_{BZ}\frac{d^3k}{(2\pi)^3} \mathcal{H}(\vec{k}).

A diagonalização de \mathcal{H}(\vec{k}) fornece o espectro (conjunto de todos autovalores) \{ \epsilon_n(\vec{k})\} que são chamadas comumente de estrutura de bandas. Plotando estas várias funções \epsilon_n(\vec{k}) por caminhos que passam pelos pontos de alta simetria da zona de Brillouin vamos obter algo como na Fig. 1, isto é um exemplo do que chamamos de estrutura de bandas.

Os estados eletrônicos que estão abaixo de uma certa energia (energia de Fermi)  são estados ocupados, os que estão acima são estados desocupados. Estas estruturas de bandas são únicas de cada material, e é através dela que determinamos as propriedades eletrônicas, magnéticas, químicas e ópticas dos novos materiais que estão surgindo.

Existem vários métodos teóricos para calcular este tipo de estrutura de bandas. Por exemplo, eu costumo usar métodos ab initio baseados na Teoria do Funcional da Densidade, ou modelo Hamiltonianos no formalismo de segunda quantização (espaço de Fock) como o método tight binding. Mas como um experimento pode confirmar isto?

ARPES

Do ponto de vista experimental uma das mais diretas de determinar isto é usando o método ARPES (Angle Resolved Photoemission Spectroscopy). Este método consiste numa espectroscopia de fotoemissão que mede as energias e momentos dos elétrons emitidos pelo material com uma resolução angular. Isto permite construir a dispersão da banda e a energia de Fermi do material. O esquema de como esta medidas são feitas é mostrado na Fig. 2.

Figura 2. Setup experimental do ARPES.

Embora tenham conceitos simples, os equipamentos necessários precisam de boas precisões. E aqui no Brasil ainda não há nenhum lugar que possa fazer uma medida ARPES. Quem mais tem capacidade de fazer isso é o LNLS (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron), mas é necessário de um outro anel síncroton mais moderno para tornar este tipo de medida uma realidade.

LNLS 2

Há algum tempo estão falando numa construção de um outro anel para o LNLS. Este novo anel, batizado de Sirius, teria energia de 3 GeV, seria mais brilhante e teria também um espectro de energia mais amplo. Neste anel seria possível fazer medidas ARPES. O LNLS 2 (ou Sirius) traria outras vantagens além do ARPES, mas este tipo de upgrade é que eu estou mais atualizado, alguém de dentro do LNLS poderia informar melhor todas as outras vantagens. Alguns detalhes do novo anel podem ser encontradas no link: http://www.lnls.br/sLista-108/Sirius.aspx

Entretanto esta obra tem um custo um pouco elevado, R$ 360 milhões que seriam investidos ao longo de 3 anos. Este tipo de investimento é mais importante do que construir um estádio novo pra Copa do Mundo ou pra Olimpíada, mas não é tão falado quanto eles. O Brasil PRECISA deste tipo de investimento pra continuar evoluindo na ciência como todo mundo deseja, mas por enquanto só nos resta esperar que isto realmente saia do papel.


  1. Nenhum comentário ainda.
  1. No trackbacks yet.

Deixe uma resposta

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair / Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair / Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair / Alterar )

Foto do Google+

Você está comentando utilizando sua conta Google+. Sair / Alterar )

Conectando a %s

%d blogueiros gostam disto: