Lu Li, um físico que estuda materiais avançados, sabe que as pessoas costumam querer ouvir como sua pesquisa pode levar a novas tecnologias ou avanços práticos. Mas, às vezes, o que ele descobre é tão incomum que seu valor reside puramente em revelar quão estranho o universo pode ser.
Trabalhando com uma equipe internacional de cientistas, Li fez uma dessas descobertas, recentemente descrita na Physical Review Letters.
“Eu adoraria afirmar que há uma grande aplicação, mas meu trabalho continua afastando esse sonho,” disse Li, professor de física na Universidade de Michigan. “Mas o que encontramos ainda é realmente bizarro e empolgante.”
Oscilações Quânticas: Quando Elétrons Agem Como Molas
Apoiado pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA e pelo Departamento de Energia dos EUA, a pesquisa foca em um efeito enigmático chamado oscilações quânticas. Em metais, essas oscilações ocorrem quando os elétrons se comportam como pequenas molas, vibrando em resposta a campos magnéticos. Ao alterar a intensidade do campo magnético, os cientistas podem mudar a rapidez com que essas “moléculas elétricas” se movem.
No entanto, nos últimos anos, pesquisadores descobriram as mesmas oscilações quânticas em isolantes – materiais que não deveriam conduzir eletricidade ou calor. Essa revelação deixou os cientistas debatendo se o efeito se origina apenas na superfície desses materiais ou nas profundezas de seu interior (conhecido como bulk).
Buscando Respostas Dentro do Material
Se as oscilações viessem da superfície, isso seria particularmente empolgante para tecnologias potenciais. Materiais chamados isolantes topológicos, que conduzem eletricidade em suas superfícies enquanto permanecem isolantes internamente, 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, elas vinham do bulk do material em si.
“Eu gostaria de saber como usar isso, mas neste estágio não temos ideia,” admitiu Li. “O que temos agora é evidência experimental de um fenômeno notável, nós o registramos e, esperançosamente, em algum momento, perceberemos como utilizá-lo.”
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 alunos de pós-graduação Yuan Zhu, Guoxin Zheng, Dechen Zhang, Aaron Chan e Kaila Jenkins da Universidade de Michigan.
“Por anos, os cientistas buscaram a resposta para uma questão fundamental sobre a origem dos portadores nesse isolante exótico: é da bulk ou da superfície, intrínseca ou extrínseca?” disse Chen. “Estamos empolgados em fornecer evidências claras de que é da bulk e intrínseca.”
Uma “Nova Dualidade” na Física
Li descreve a 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 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, segundo Li, envolve materiais que podem se comportar tanto como condutores quanto como isolantes. Sua equipe explorou essa ideia usando um composto chamado bororeto de itérbio (YbB12) dentro de um campo magnético tão poderoso que alcançou 35 tesla – cerca de 35 vezes mais forte do que o campo dentro de uma máquina de ressonância magnética de hospital.
“Basicamente, estamos mostrando que essa imagem ingênua em que imaginamos uma superfície com boa condução que é viável para uso em eletrônica está completamente errada,” explicou Li. “É todo o composto que se comporta como um metal, mesmo sendo um isolante.”
Desvendando o Mistério de um “Metal Louco”
Embora esse comportamento “semelhante ao metal” apareça apenas sob condições magnéticas extremas, a descoberta levanta novas questões sobre como os materiais se comportam em nível quântico.
“Confirmar que as oscilações são bulk e intrínsecas é empolgante,” disse Zhu. “Ainda não sabemos quais partículas neutras são responsáveis pela observação. Esperamos que nossas descobertas motivem mais experimentos e trabalhos teóricos.”
O projeto recebeu apoio adicional do Instituto para Materiais Complexos Adaptativos, da Fundação Gordon e Betty Moore, da Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência e da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão.
