Lu Li, um físico que estuda materiais avançados, sabe que muitas vezes as pessoas querem saber como a sua investigação pode levar a novas tecnologias ou avanços práticos. Mas às vezes o que ele descobre é tão incomum que o seu valor reside puramente em revelar quão estranho é o universo.
Li trabalhou com uma equipe internacional de cientistas para fazer uma das descobertas, recentemente em Cartas de revisão física.
“Adoraria afirmar que esta é uma excelente aplicação, mas o meu trabalho continua a levar esse sonho ainda mais longe”, disse Lee, professor de física na Universidade de Michigan. “Mas nossas descobertas ainda são muito estranhas e emocionantes”.
Oscilações quânticas: quando os elétrons agem como molas
A pesquisa, apoiada pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA, concentrou-se num efeito intrigante conhecido como oscilações quânticas. Nos metais, essas oscilações ocorrem quando os elétrons vibram como pequenas molas em resposta a um campo magnético. Ao alterar a força do campo magnético, os cientistas podem alterar a velocidade com que essas “molas eletrônicas” se movem.
Nos últimos anos, porém, os pesquisadores descobriram as mesmas oscilações quânticas em isoladores (materiais que não deveriam conduzir eletricidade ou calor). A descoberta fez com que os cientistas debatessem se o efeito se origina apenas na superfície desses materiais ou se se origina no interior, conhecido como volume.
Encontre respostas nos materiais
Isto seria particularmente interessante para a tecnologia potencial se as oscilações viessem da superfície. Materiais conhecidos como isolantes topológicos, que conduzem eletricidade em suas superfícies e permanecem isolantes por dentro, já estão sendo utilizados em pesquisas de novos dispositivos eletrônicos, ópticos e quânticos.
Para explorar este mistério, Li e seus colaboradores recorreram ao Laboratório Nacional de Campo Magnético, que abriga os ímãs mais poderosos do mundo. Seus experimentos mostraram que as oscilações eram mais do que apenas um efeito superficial. Em vez disso, eles vêm da maioria dos próprios materiais.
“Eu gostaria de saber como fazer isso, mas neste momento não sabemos”, admitiu Lee. “O que temos agora são evidências experimentais de um fenômeno notável, nós o documentamos e esperamos que em algum momento possamos perceber como usá-lo.”
Colaboração global e resultados claros
O estudo envolveu mais de uma dúzia de cientistas de seis instituições nos Estados Unidos e no Japão, incluindo o pesquisador Kuanwen Chen da Universidade de Michigan e os estudantes de pós-graduação Yuan Zhu, Guoxin Zheng, Dechen Zhang, Aaron Chen e Kayla Jenkins.
“Durante anos, os cientistas têm procurado respostas para questões fundamentais sobre a origem dos transportadores em tais isoladores exóticos: vem do volume ou da superfície, é intrínseco ou extrínseco?” Chen disse. “Temos o prazer de poder fornecer evidências claras de que é substancial e intrínseco”.
A “nova dualidade” na física
Lee descreve esta descoberta como parte do que ele chama de “nova dualidade”. A dualidade original ou “antiga” na física surgiu há mais de um século, quando os cientistas perceberam que a luz e a matéria poderiam agir tanto como ondas quanto como partículas. Essa descoberta transformou a física e levou a tecnologias como células solares e microscopia eletrônica.
A nova dualidade envolve materiais que podem atuar tanto como condutores quanto como isolantes, disse Li. Sua equipe explorou essa ideia usando um composto chamado boreto de itérbio (YbB12) em campos magnéticos tão fortes quanto 35 Tesla, cerca de 35 vezes mais fortes do que aqueles encontrados em máquinas de ressonância magnética hospitalares.
“Efetivamente, estamos demonstrando que a nossa ideia ingênua de que superfícies com boa condutividade poderiam ser usadas na eletrônica estava completamente errada”, explica Li. “Mesmo sendo um isolante, todo o composto se comporta como um metal.”
Desvendando o mistério do “Crazy Metal”
Embora este comportamento “semelhante ao metal” só ocorra sob condições magnéticas extremas, a descoberta levanta novas questões sobre como os materiais se comportam a nível quântico.
“É emocionante confirmar que as oscilações são enormes e intrínsecas”, disse Zhu. “Ainda não sabemos qual partícula neutra é responsável pela observação. Esperamos que as nossas descobertas inspirem mais trabalhos experimentais e 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 Promoção da Ciência e Tecnologia.
