Elétrons conversam com cristais seguindo uma regra quântica universal

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/01/2026

A luz (fótons) emitida pelos fônons interage com os elétrons vibrantes no cristal, e isso pode ser observado no espectro de terahertz à direita.
[Imagem: Masae Takahashi]

Cochichos entre partículas

Um físico japonês descobriu um fenômeno quântico surpreendente oculto dentro de cristais comuns: A intensidade das interações entre os elétrons e as vibrações da rede cristalina, conhecidas como fônons, não é contínua, mas quantizada.

E, ainda mais notável, a intensidade dessa "comunicação" está universalmente ligada a um dos números mais icônicos da física: A constante de estrutura fina, representada pela letra grega alfa (α), cujo valor é 1/137.

O que torna esse número adimensional tão icônico - os físicos até o chamam de constante mágica do universo - é a sua capacidade de explicar interações eletromagnéticas, independentemente das unidades utilizadas. Imagine-o como uma proporção em que uma vareta é duas vezes mais comprida do que outra - essa proporção não muda, independentemente de você medir o comprimento das varetas em centímetros, milímetros ou polegadas.

Masae Takahashi, da Universidade de Tohoku, descobriu agora que a intensidade do acoplamento elétron-fônon é sempre um múltiplo inteiro de uma unidade base igual à constante de estrutura fina multiplicada pela constante de Boltzmann. Em outras palavras, cerca de uma parte em 137 da energia do fônon é transferida durante cada interação.

Esta descoberta demonstra que uma constante fundamental que rege as forças eletromagnéticas também se aplica ao "diálogo" subatômico entre elétrons e cristais.

"Este trabalho demonstra que até mesmo as comunicações mais sussurradas entre elétrons e cristais seguem a linguagem universal das constantes quânticas," afirmou Takahashi.

E a descoberta tem potencial para impactar diversas tecnologias avançadas.
[Imagem: Masae Takahashi]

Novidade na mecânica quântica

Mas de onde emerge essa inusitada conexão entre os elétrons e os fônons?

Takahashi também ficou curioso, e rastreou o fenômeno. Sua conclusão é que tudo se deve a um processo semelhante ao espalhamento Compton, onde os elétrons colidem não diretamente com os fônons, mas com os fótons emitidos por eles.

Isso explica por que a transferência de energia é proporcional a α elevado à primeira potência, em vez de α², como nas interações spin-órbita. No geral, esta descoberta revela uma regra quântica universal que rege como os elétrons interagem com as vibrações da rede cristalina dos materiais.

"Esta nova descoberta foi empolgante, já que é a primeira vez em muito tempo que podemos adicionar novas informações à bem estabelecida mecânica quântica," comentou Takahashi.

Interesse prático

E não é só uma curiosidade teórica. Ao quantificar essas interações e regras, os cientistas podem projetar materiais com propriedades personalizadas para eletrônicos mais rápidos e tecnologias de energia mais eficientes. Por exemplo, as interações elétron-fônon governam o desempenho de semicondutores, supercondutores e dispositivos quânticos de próxima geração.

As ondas de terahertz também podem influenciar processos como a divisão celular, o que implica que essa descoberta poderá impactar inovações futuras não apenas para eletrônicos do dia a dia, como celulares e computadores, mas também para as ciências da vida.

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