Pela primeira vez, os cientistas olharam para baixo para o nível de um único electrão e observaram estados quânticos que apenas tinham sido teorizado antes. Pesquisadores observaram as órbitas magnéticas dos electrões, chamada níveis de Landau, que estavam previstas em 1930 pelo Nobel Lev Landau. Estas órbitas representam os caminhos curvados por onde os electrões viajam quando são expostos a campos magnéticos muito fortes.
Anteriormente, os cientistas confirmaram a existência dos níveis medindo as mudanças na corrente eléctrica, que resultam quando os electrões mudam de um nível Landau para outro. No entanto, ninguém foi capaz de ver objectivamente estes níveis até agora.
"Nós somos os primeiros a ter realmente feito o que é chamado de microscopia de tunelamento e olhar para os estados individuais", disse o físico Rudolf Roemer, da Universidade de Warwick, Inglaterra. Roemer era um membro da equipe de pesquisa, liderada por Koichi Hashimoto da Tohoku University do Japão, que relataram a realização num artigo publicado na revista Physical Review Letters.
Quando partículas carregadas, tais como electrões, são colocados dentro de um campo magnético, eles viajam ao longo de caminhos curvados. Como o campo magnético fica mais forte e mais forte, estes círculos ficam cada vez menores. Os menores círculos possíveis para os elétrons viajarem são os níveis de Landau.
Para estes níveis de imagem, os físicos olharam para os electrões na superfície de um material semicondutor. Então, eles usaram espectroscopia de varredura por tunelamento para procurar os possíveis locais de electrões. Esta técnica permite observar uma amostra já que possibilita aos electrões tentar passar para ele em diferentes locais.
Se o local contém um estado viável para um electrão, a partícula será capaz de saltar para o estado por meio de um processo chamado tunelamento, confirmando que ele existe. Na imagem resultante, áreas claras representam as localizações dos estados possíveis, enquanto os pontos negros mostram a falta de estados de electrões.
As imagens produzidas por Hashimoto e sua equipa parecem-se notavelmente como as simulações teóricas previram que seria. Tais imagens nunca foram possíveis de fazer antes porque a digitalização espectroscopia de tunelamento nunca foi tão avançada. Cada pixel na imagens da equipa representa mais de meia hora de dados, disse Roemer.
Os níveis de Landau não são apenas uma curiosidade esotérica. Eles podem ser colocados em prática para ajudar a redefinir o quilograma, a unidade fundamental de massa no Sistema Internacional de Unidades (SI). Enquanto a maioria das unidades SI são definidas por relações entre constantes fundamentais que podem ser reproduzidos em qualquer lugar para obter o valor correto, o quilograma é actualmente definido por um pedaço de metal do tamanho de uma bola de golfe mantido num cofre em França.
Os cientistas querem alterar isso, definindo o quilograma em termos de peso que seria necessário para contrabalançar uma força electromagnética produzida por uma bobine magnética. A força desta força é, em parte, dependente da constante de von Klitzing, que é ela própria ligada a níveis de Landau.
"Os níveis de imagem Landau não ajudar a estabelecer o equilíbrio, mas reforçam a compreensão da teoria subjacente que temos, que a constante von Klitzing é uma constante universal, e diz-nos que é verdade", disse Roemer. "Podemos olhar para estes estados e realmente encontrá-los lá."
