Um estranho metal quântico acaba de reescrever as regras da eletricidade

Pesquisadores no Japão explicaram como a eletricidade se comporta em um grupo especial de metais quânticos chamados metais kagome. O estudo é o primeiro a mostrar como campos magnéticos fracos revertem pequenas correntes elétricas dentro desses metais. Essa comutação altera as propriedades elétricas macroscópicas do material e inverte a direção em que o fluxo elétrico é mais fácil, propriedade conhecida como efeito diodo, onde a corrente flui mais facilmente em uma direção do que na outra.

Notavelmente, a equipe de pesquisa descobriu que os efeitos geométricos quânticos amplificam essa mudança em cerca de 100 vezes. O estudo, publicado em Anais da Academia Nacional de Ciênciasfornece a base teórica que poderia eventualmente levar a novos dispositivos eletrônicos controlados por simples ímãs.

Os cientistas observaram esse estranho comportamento de comutação magnética em experimentos desde cerca de 2020, mas não conseguiram explicar por que isso aconteceu e por que o efeito foi tão forte. Este estudo fornece o primeiro quadro teórico que explica ambos.

Quando elétrons frustrados não conseguem se acomodar

O nome “kagome metal” vem da palavra japonesa “kagome”, que significa “olhos de cesta” ou “padrão de cesta”, que se refere a uma técnica tradicional de tecelagem de bambu que cria desenhos triangulares entrelaçados.

Esses metais são especiais porque seus átomos estão dispostos neste padrão único de cestaria que cria o que os cientistas chamam de “frustração geométrica” ​​- os elétrons não conseguem se estabelecer em padrões simples e organizados e são forçados a estados quânticos mais complexos que incluem as correntes de loop.

Quando as correntes de loop dentro desses metais mudam de direção, o comportamento elétrico do metal muda. A equipe de pesquisa mostrou que as correntes de loop e os padrões de elétrons ondulatórios (ondas de densidade de carga) trabalham juntos para quebrar simetrias fundamentais na estrutura eletrônica. Eles também descobriram que os efeitos geométricos quânticos – comportamentos únicos que ocorrem apenas nas menores escalas da matéria – aumentam significativamente o efeito de mudança.

“Cada vez que víamos a comutação magnética, sabíamos que algo extraordinário estava a acontecer, mas não conseguíamos explicar porquê”, lembrou Hiroshi Kontani, autor sénior e professor da Escola de Pós-Graduação em Ciências da Universidade de Nagoya.

“Os metais Kagome possuem amplificadores integrados que tornam os efeitos quânticos muito mais fortes do que seriam nos metais comuns. A combinação de sua estrutura cristalina e comportamento eletrônico permite que eles quebrem certas regras básicas da física simultaneamente, um fenômeno conhecido como quebra espontânea de simetria. Isso é extremamente raro na natureza e explica por que o efeito é tão poderoso. “

O método de pesquisa envolveu o resfriamento dos metais a temperaturas extremamente baixas, de cerca de -190°C. A esta temperatura, o metal kagome desenvolve naturalmente estados quânticos onde os elétrons formam correntes circulantes e criam padrões ondulatórios em todo o material. Quando os cientistas aplicam campos magnéticos fracos, eles invertem a direção de rotação dessas correntes e, como resultado, a direção preferida do fluxo da corrente no metal muda.

Novos materiais encontram nova teoria

Este avanço na física quântica não foi possível até recentemente porque os metais kagome só foram descobertos por volta de 2020. Embora os cientistas tenham observado rapidamente o misterioso efeito de comutação elétrica em experimentos, eles não conseguiram explicar como ele funcionava.

As interações quânticas envolvidas são muito complexas e requerem uma compreensão avançada de como as correntes de loop, a geometria quântica e os campos magnéticos funcionam juntos – conhecimento que só se desenvolveu nos últimos anos. Esses efeitos também são muito sensíveis a impurezas, tensões e condições externas, o que os torna difíceis de estudar.

“Esta descoberta aconteceu porque três coisas se juntaram no momento certo: finalmente tínhamos os novos materiais, as teorias avançadas para os compreender e o equipamento de alta tecnologia para os estudar adequadamente. Nenhum destes existiam juntos até muito recentemente, razão pela qual ninguém conseguiu resolver este puzzle até agora”, acrescentou o professor Kontani.

“O controle magnético das propriedades elétricas desses metais poderia potencialmente permitir novos tipos de dispositivos de memória magnética ou sensores ultrassensíveis. Nosso estudo fornece o entendimento fundamental necessário para começar a desenvolver a próxima geração de tecnologia controlada por quantum”, disse ele.