CURIOSIDADES DA FÍSICA
José Maria Filardo Bassalo
www.bassalo.com.br

Efeitos: Túnel e Josephson, e o Prêmio Nobel de Física (PNF) de 1973 .

O PNF de 1973 foi atribuído aos físicos, o japonês Leo Esaki (n.1925) pela descoberta do tunelamento em semicondutores; o norueguês-norte-americano Ivar Giaever (n.1929) pela descoberta do tunelamento na junção de condutores e supercondutores; e o inglês Brian David Josephson (n.1940) pela descoberta do tunelamento em junção de supercondutores.   

                   A ideia de tunelamento foi considerada em Física graças aos trabalhos de diversos físicos, trabalhos esses todos realizados em 1928. O físico norte-americano Julius Robert Oppenheimer (1904-1967), nos artigos (Physical Review 31, p. 66; Proceedings of the National Academy of Sciences (US) 14, p. 363) atribuía que a auto-ionização de estados excitados do átomo de hidrogênio (H) devia-se a um processo de tunelamento. Com efeito, a barreira de potencial coulombiana que prende o elétron atômico poderia ser distorcida por um forte campo elétrico de modo que esse elétron “veria” aquela barreira finita e tunelaria através dela. Por sua vez, os físicos, o inglês Sir Ralph Howard Fowler (1899-1944) e o alemão Lothar Wolfgang Nordheim (1899-1985) (Proceedings of the Royal Society of London A119, p. 173), e também Nordheim (Zeitschrift für Physik 46, p. 833), explicaram que a emissão de elétrons por metais frios sob a ação de fortes campos elétricos, decorria do tunelamento desses elétrons devido ao abaixamento da barreira de potencial (esta representada pela superfície metálica), provocado por aqueles campos. Por fim, os físicos, o inglês Ronald Wilfrid Gurney (1898-1953) e o norte-americano Edward Uhler Condon (1902-1974) (Nature 122, p. 439) e, independentemente, o russo-norte-americano George Antonovich Gamow (1904-1968) (Physikalische Zeitschrift  51, p. 204) utilizaram a ideia de transmissão de partículas por uma barreira – posteriormente denominada efeito túnel (ET) -, para explicar o decaimento radioativo (vide verbete nesta série). Note que esse efeito significa a capacidade de uma partícula vencer uma barreira de potencial com uma energia menor do que a altura dessa barreira.

                   O interesse de Esaki pelo tunelamento de elétrons em semicondutores (vide verbete nesta série) ocorreu na ocasião em que trabalhou em sua Tese de Mestrado, defendida na Universidade de Tókio, em 1947. Mais tarde, em 1956, quando dirigia um grupo de pesquisa na Sony Corporation, começou a estudar com mais detalhes o ET em um diodo de junção p-n de germânio (Ge), efeito esse conhecido como diodo Zener. Este tipo de diodo foi desenvolvido no começo da década de 1950 e deriva da teoria formulada pelo físico norte-americano Clarence M. Zener (1905-1993), em 1934 (Proceedings of the Royal Society of London A145, p. 523), sobre o colapso (“breakdown”) dos dielétricos sólidos, segundo o qual um campo elétrico forte excita elétrons diretamente da banda de valência (vide verbete nesta série) para a banda de condução, por meio de um processo do tipo tunelamento. Desse modo, usando uma junção bastante estreita (cerca de 100 Å), e dopada com alta dose de impureza, Esaki observou que esse diodo apresentava uma polaridade oposta à de um diodo normal e, portanto, havia uma região de resistência negativa. É oportuno esclarecer que essa resistência é “dinâmica”; porém, nessa mesma região a resistência “estática” é positiva. Essa descoberta ficou conhecida como diodo Esaki, e foi anunciada em 1958 (Physical Review 109, p. 603). É interessante registrar que Esaki só obteve seu Doutoramento, em 1959, também na Universidade de Tókio.  Note que Esaki e o físico japonês Y. Miyahara, em 1960 (Solid State Electronics 1, p. 13) observaram também aquele tipo de polaridade em um diodo de silício (Si).

                   Depois de trabalhar com o tunelamento em semicondutores homogêneos, Esaki passou a se interessar pelo tunelamento de junções de metal-óxido-semicondutor, do tipo, por exemplo: alumínio-óxido de alumínio-germânio-telúrio (A-A2O3-Ge-Te) e alumínio-óxido de alumínio-estanho-telúrio (A-A2 O3-Sn-Te). Assim, em 1966, Esaki, e P. J. Stiles (Physical Review Letters 16, p. 1108), Esaki (Journal of the Physical Society of Japan: Supplement 21, p. 589) e, em 1967, Esaki, Leroy L. Chang e Stiles (Journal of Applied Physics 38, p. 4440), demonstraram haver naquelas junções também uma região de resistência negativa, porém de origem diferente da região do diodo Esaki.

                   Na sequência de seu trabalho de pesquisa em tunelamento, Esaki e colaboradores do Thomas J. Watson Research Center, da International Business Machines (IBM), em Yorktown Heights, em Nova York, passaram a estudar esse tipo de processo físico em estruturas periódicas formadas de semicondutores monocristalinos, as famosas super-redes. Desse modo, as primeiras pesquisas sobre o transporte de elétrons nessas estruturas foram realizadas por Esaki e Raphael Tsu, na IBM, em 1970 (IBM Journal of Research and Development 14, p. 61), na super-rede envolvendo gálio-alumínio-arsênio, do tipo: Ga1-x Ax As. O tunelamento em estruturas periódicas foi também estudado no A. F. Ioffe Physico-Technical Institute, em Leningrado, pelos físicos russos Zhores I. Alferov (n.1930; PNF, 2000), Y. V. Zhilyaev e Y. V. Shmartsev, em 1971 (Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov 5, p. 196), na super-rede gálio-fósforo-alumínio e gálio-arsênio em uma estrutura periódica do tipo: Ga P0.3 A0.7/Ga As. É interessante destacar que o estudo das super-redes levou o grupo de Esaki à descoberta do tunelamento nelas é à invenção subsequente do conhecido diodo túnel ressonante, uma variante do diodo Esaki.  Para um estudo mais detalhado do trabalho de Esaki com as heteroestruturas quânticas (HeSQ) (conforme Alferov as denominou), ver: Leo Esaki, Nobel Lecture (12 de dezembro de 1973).

                   Giaever, formado em Engenharia Mecânica no Norwegian Institute of Technology, em 1952, só começou a se interessar pela Física, em 1958, quando passou a fazer parte do grupo de pesquisas da General Electric Research and Development Center, em Schenectady, Nova York, empresa em que trabalhava, desde 1954, quando emigrou para o Canadá. Naquele centro de pesquisas, ao conhecer o trabalho de Esaki, Giaever procurou fazer um “casamento” do tunelamento com a supercondutividade (ver verbete nesta série). Assim, começou a medir as características de corrente-voltagem em uma junção de alumínio-chumbo (A-Pb), uma vez que o A se torna supercondutor em torno de 1,2 K e o Pb, em torno de 7,2 K. Portanto, próximo de 4,0 K um desses elementos químicos poderia tornar-se um supercondutor. Assim, ao medir o gap [intervalo de energia, da ordem de kTC (sendo k a constante de Planck e TC é a temperatura em que o material se torna supercondutor) entre o estado fundamental e o primeiro estado excitado de um material supercondutor, medido pela primeira vez, por B. B. Goodman, em 1953 (Proceedings of the Physics Society of London A66, p. 217)] do Pb, no estado supercondutor, Giaever descobriu que a relação linear ôhmica corrente-voltagem [lei de Ohm (1825)] só permanecia linear em torno da energia daquele gap. Essa descoberta do efeito de tunelamento em uma junção condutor-supercontudor foi anunciada por Giaever, em 1960 (Physical Review Letters 5, p. 147; 464), e confirmada por ele e K. Mergele, em 1961 (Physical Review 122, p. 1101) e, independentemente, pelo físico norte-americano John Bardeen (1908-1991; PNF, 1957; 1972), também, em 1961 (Physical Review Letters 6, p. 57). É interessante destacar que, como Esaki, Giaever fez sua descoberta enquanto trabalhava em sua Tese de Doutoramento, defendida em 1964, no Rensselaer Polytechnic Institute. Maiores detalhes do trabalho de Giaever ver sua Nobel Lecture (12 de dezembro de 1973).    

                   Finalizando este verbete, vejamos o trabalho de Josephson. Em 1962, quando realizava seu Doutoramento na Universidade de Cambridge, na Inglaterra, com junções de supercondutores, ele verificou que, além do tunelamento de elétrons observado por Giaever, havia, também, um tunelamento de pares de Cooper. Conforme vimos em verbete desta série, em 1956 (Physical Review 104, p.1189), o físico norte-americano Leon Neil Cooper (n.1930; PNF, 1972) mostrou que um elétron passando nas proximidades de um íon positivo de um cristal supercondutor interage com esse íon, havendo, portanto, a vibração da rede cristalina e a conseqüente emissão de um fônon. Desse modo, se um segundo elétron passar, subsequentemente, pelo mesmo íon, ele absorverá esse fônon, então os dois elétrons trocarão seus momentos lineares, e caminharão juntos no menor estado de energia possível, constituindo desde então aquele famoso par. A observação de Josephson levou-o a prever duas novas classes de fenômenos físicos quando uma fina película isolante era colocada entre dois supercondutores. O primeiro desses fenômenos refere-se à passagem de uma supercorrente através da junção e na ausência de voltagem: esse é o efeito Josephson DC [DC – direct current (corrente contínua)]. O segundo relaciona-se com o aparecimento de correntes oscilatórias de radio-frequência, quando uma voltagem AC é aplicada através da junção: esse é o efeito Josephson AC [AC – alternating current (corrente alternada). Essas previsões foram anunciadas por Josephson, ainda em 1962 (Physics Letters 1 p. 251). Registre-se que essas previsões de Josephson foram experimentalmente confirmadas, em 1963, pelos físicos norte-americanos Philip Warren Anderson (n.1923; PNF, 1977) e John M. Rowell (efeito Josephson DC) (Physical Review Letters 10, p. 230), e S. Shapiro (efeito Josephson AC) (Physical Review Letters 11, p. 80). Logo depois, em 1964 (Physical Review Letters 12, p. 159; 274), os também físicos norte-americanos Robert C. Jaklevic, John Lambe, A. H. Silver e J. E. Mercereau mostraram que existem efeitos quânticos de interferência e de difração envolvendo supercondutores; tais efeitos foram importantes no desenvolvimento posterior dos famosos SQUID (“Superconducting Quantum Interferences Devices”). Outras informações sobre as pesquisas de Josephson, ver sua Nobel Lecture (12 de dezembro de 1973).