Os metais quânticos são uma classe especial de materiais nos quais os efeitos quânticos normalmente só são aparentes no nível atômico, mas são fortes o suficiente para afetar o comportamento elétrico em grande escala do material.
Uma equipe de pesquisa japonesa elucidou agora como a eletricidade se comporta em um material especial chamado metal Kagome. Em seu estudo, eles demonstraram pela primeira vez que campos magnéticos fracos podem inverter pequenas correntes circulantes nos metais. Essa reversão altera a facilidade com que a corrente pode se mover em diferentes direções, criando o que é conhecido como efeito de diodo, onde a corrente flui mais facilmente em uma direção.
A equipe também descobriu que os efeitos geométricos quânticos amplificam essa mudança elétrica em cerca de 100 vezes. Seus trabalhos foram publicados em Anais da Academia Nacional de Ciênciasestabelecendo uma base teórica para a futura tecnologia eletrônica que pode ser controlada com simples ímãs.
Os cientistas observaram esta transição magnética incomum em experimentos desde cerca de 2020, mas não conseguiram explicar o que a causa ou por que o efeito é tão pronunciado. O novo estudo fornece a primeira explicação teórica completa de ambos.
Quando elétrons frustrados não conseguem se estabilizar
O nome ‘kagome metal’ vem da palavra japonesa ‘kagome’, que significa ‘olho de cesta’ ou ‘padrão de cesta’ e refere-se ao estilo tradicional de tecelagem de bambu que forma triângulos entrelaçados.
Nestes metais, os átomos estão dispostos no mesmo padrão geométrico único. Essa estrutura resulta no que os físicos chamam de “frustração geométrica” – a incapacidade dos elétrons de formar arranjos ordenados. Em vez disso, eles ficam presos em estados quânticos complexos, incluindo as correntes de circuito circulantes observadas em experimentos.
Quando a direção dessas correntes de loop muda, a maneira como o metal conduz eletricidade também muda. Os pesquisadores descobriram que a corrente do loop interagia com o arranjo ondulatório dos elétrons (ondas de densidade de carga), quebrando uma simetria fundamental da estrutura eletrônica do material. Eles determinaram ainda que os efeitos geométricos quânticos – comportamento que ocorre apenas nas menores escalas da matéria – amplificam enormemente a resposta de comutação.
“Cada vez que víamos um interruptor magnético, sabíamos que algo incomum estava acontecendo, mas não conseguíamos explicar por quê”, lembra o autor sênior Hiroshi Kontani, 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 os metais comuns. A combinação de sua estrutura cristalina e comportamento eletrônico permite que eles quebrem simultaneamente certas regras físicas básicas, um fenômeno conhecido como quebra espontânea de simetria. Isso é extremamente raro na natureza e explica por que esse efeito é tão poderoso.”
Para conduzir os experimentos, os cientistas resfriaram o metal a cerca de -190°C. Nessas temperaturas extremamente baixas, o metal Kagome forma naturalmente um estado quântico no qual os elétrons se movem ao longo de caminhos circulares e criam padrões ondulatórios no material. Quando um campo magnético fraco é aplicado, a direção dessas correntes circulantes muda, invertendo a direção preferida da corrente.
Novos materiais encontram novas teorias
Este avanço na física quântica só foi possível recentemente, já que o metal Kagome só foi descoberto 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 complexas e exigem uma compreensão profunda de como as correntes dos anéis, a geometria quântica e os campos magnéticos funcionam juntos – conhecimento que só foi desenvolvido nos últimos anos. Esses efeitos também são muito sensíveis a impurezas, deformações e condições externas, tornando-os difíceis de estudar.
“Essa descoberta aconteceu porque três coisas se juntaram no momento certo: finalmente tínhamos novos materiais, teorias avançadas para entendê-los e equipamentos de alta tecnologia para estudá-los adequadamente. Até recentemente, essas coisas não existiam ao mesmo tempo, e é por isso que ninguém havia conseguido resolver esse quebra-cabeça antes”, acrescentou o professor Contani.
“O controle magnético das propriedades elétricas desses metais pode levar a novos tipos de dispositivos de memória magnética ou sensores ultrassensíveis. Nossa pesquisa fornece o entendimento fundamental necessário para começar a desenvolver a próxima geração de tecnologias de controle quântico”, disse ele.
