Descoberta quântica “realmente bizarra” desafia as regras da física

Trabalhando com uma equipe internacional de cientistas, Li fez uma dessas descobertas, descrita recentemente no Cartas de revisão física.

“Eu adoraria afirmar que existe uma ótima aplicação, mas meu trabalho continua afastando esse sonho ainda mais”, disse Li, professor de física na Universidade de Michigan. “Mas o que descobrimos ainda é muito bizarro e emocionante.”

Oscilações quânticas: quando os elétrons agem como molas

Apoiada pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e pelo Departamento de Energia dos EUA, a investigação centra-se num efeito intrigante chamado oscilações quânticas. Nos metais, essas oscilações ocorrem quando os elétrons se comportam como pequenas molas, vibrando em resposta a campos magnéticos. Ao alterar a força do campo magnético, os cientistas podem alterar a rapidez com que essas “molas de elétrons” se movem.

Nos últimos anos, no entanto, os investigadores descobriram as mesmas oscilações quânticas em isoladores – materiais que não deveriam conduzir eletricidade ou calor. Essa revelação deixou os cientistas a debater se o efeito se origina apenas na superfície destes materiais ou nas profundezas do seu interior (conhecido como volume).

Procurando respostas dentro do material

Se as oscilações viessem da superfície, isso seria particularmente interessante para tecnologias potenciais. Materiais chamados isolantes topológicos, que conduzem eletricidade em suas superfícies enquanto permanecem isolantes por dentro, já estão sendo estudados para novos tipos de dispositivos eletrônicos, ópticos e quânticos.

Para explorar o mistério, Li e seus colaboradores recorreram ao Laboratório Nacional de Campo Magnético, que abriga os ímãs mais poderosos do mundo. Seus experimentos revelaram que as oscilações não eram apenas um efeito superficial. Em vez disso, eles vieram da maior parte do próprio material.

“Gostaria de saber o que fazer com isso, mas nesta fase não temos ideia”, admitiu Li. “O que temos agora são evidências experimentais de um fenômeno notável, nós as registramos e, esperançosamente, em algum momento, perceberemos como usá-las”.

Uma colaboração global e um resultado claro

O estudo envolveu mais de uma dúzia de cientistas de seis instituições nos Estados Unidos e no Japão, incluindo o pesquisador Kuan-Wen Chen e os estudantes de pós-graduação Yuan Zhu, Guoxin Zheng, Dechen Zhang, Aaron Chan e Kaila Jenkins da Universidade de Michigan.

“Durante anos, os cientistas procuraram a resposta a uma questão fundamental sobre a origem do transportador neste isolador exótico: é do volume ou da superfície, intrínseco ou extrínseco?” disse Chen. “Estamos entusiasmados em fornecer evidências claras de que é volumoso e intrínseco”.

Uma “nova dualidade” na física

Li descreve a descoberta como parte do que chama de “nova dualidade”. A dualidade original, ou “antiga”, da física surgiu há mais de um século, quando os cientistas perceberam que a luz e a matéria podem atuar tanto como ondas quanto como partículas. Essa descoberta transformou a física e levou a tecnologias como células solares e microscópios eletrônicos.

A nova dualidade, diz Li, envolve materiais que podem se comportar tanto como condutores quanto como isolantes. Sua equipe explorou essa ideia usando um composto chamado boreto de itérbio (YbB12) dentro de um campo magnético tão poderoso que atingiu 35 Tesla – cerca de 35 vezes mais forte que o campo dentro de uma máquina de ressonância magnética hospitalar.

“Efetivamente, estamos mostrando que esta imagem ingênua, onde imaginamos uma superfície com boa condução que fosse viável para uso em eletrônica, está completamente errada”, explicou Li. “É todo o composto que se comporta como um metal, embora seja um isolante”.

Desvendando o mistério de um “metal louco”

Embora este comportamento “semelhante ao metal” só apareça sob condições magnéticas extremas, a descoberta levanta novas questões sobre como os materiais se comportam a nível quântico.

“Confirmar que as oscilações são volumosas e intrínsecas é emocionante”, disse Zhu. “Ainda não sabemos que tipo de partículas neutras são responsáveis ​​pela observação. Esperamos que as nossas descobertas motivem mais experiências e trabalhos teóricos.”

O projeto recebeu apoio adicional do Institute for Complex Adaptive Matter, da Fundação Gordon e Betty Moore, da Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência e da Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia.