Fenômeno inusitado em isolantes sugere existência de nova partícula

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/01/2021

A descoberta desafia a distinção entre metais e isolantes elétricos, apontando para a possível existência de um novo tipo de partícula.
[Imagem: Kai Fu/Wu Lab/Princeton University]

Metal de transição

Em 2019, pesquisadores australianos descobriram o primeiro metal naturalmente ferroelétrico.

Assim como um material ferromagnético apresenta magnetismo permanente, com pólos norte e sul, um material ferroelétrico apresenta uma propriedade elétrica análoga, chamada polarização elétrica permanente. Isso tem larga aplicação no campo da eletrônica.

Foi essa propriedade elétrica que foi descoberta no ditelureto de tungstênio (WTe₂), um membro da classe dos "metais de transição dicalcogenados", ou seja, ele é parente da agora bem conhecida molibdenita.

Mas o ditelureto de tungstênio tinha mais segredos a revelar.

Oscilação quântica

Pengjie Wang e seus colegas da Universidade de Princeton, nos EUA, observaram no material um comportamento quântico inesperado, chamado "oscilação quântica", algo que só é observado nos metais, mas não em isolantes, como o WTe₂.

Isso indica que pode existir uma partícula quântica inteiramente nova, nunca antes observada, responsável por esse fenômeno.

De fato, a descoberta questiona a distinção aceita pela ciência entre metais e isolantes, porque na teoria quântica dos materiais os isolantes não seriam capazes de sofrer oscilações quânticas.

"Se nossas interpretações estiverem corretas, estamos vendo uma forma fundamentalmente nova de matéria quântica," disse o professor Sanfeng Wu. "Agora estamos imaginando um mundo quântico totalmente novo escondido nos isolantes. É possível que simplesmente não conseguimos identificá-lo nas últimas décadas."

A equipe é pioneira na criação de semicondutores ultrafinos, usando materiais da mesma família.
[Imagem: U of Washington]

Diferença entre condutores e isolantes

A observação das oscilações quânticas há muito tempo é considerada o marco diferencial entre metais e isolantes - dito de outra forma, entre condutores elétricos e isolantes elétricos.

Nos metais, os elétrons são altamente móveis e a resistividade - a resistência à condução elétrica - é fraca. Quase um século atrás, pesquisadores observaram que um campo magnético, juntamente com temperaturas muito baixas, podem fazer com que os elétrons mudem de um estado "clássico" para um estado quântico, causando oscilações na resistividade do metal.

Nos isolantes, por outro lado, os elétrons não podem se mover e os materiais têm resistividade muito alta, portanto, não se espera que ocorram oscilações quânticas desse tipo, independentemente da força do campo magnético aplicado.

Para surpresa da equipe, porém, a resistividade do isolante, apesar de ser bastante grande, começou a oscilar conforme eles aumentavam a intensidade do campo magnético, indicando a mudança dos elétrons para um estado quântico, ou seja, um estado no qual eles podem saltar e tunelar. Na verdade, o material, que é um isolante muito forte, passou a apresentar o comportamento quântico típico de um metal.

Férmions neutros?

A equipe reconhece que ainda não entende o que está acontecendo, porque os dados contradizem todas as teorias conhecidas. Por isso eles estão levantando como hipótese mais provável a existência de um novo tipo de partícula.

"Nossos resultados experimentais conflitam com todas as teorias existentes baseadas em férmions carregados [eletricamente], mas podem ser explicados pela presença de férmions de carga neutra," disse Pengjie Wang.

Apesar da novidade da pesquisa e da interpretação ainda especulativa dos resultados, o professor Wu já fala sobre como esse fenômeno poderia ser explorado para uso prático.

"É possível que férmions neutros possam ser usados no futuro para codificar informações, o que seria útil na computação quântica," disse ele. "Nesse meio tempo, no entanto, ainda estamos nos estágios iniciais da compreensão de fenômenos quânticos como este, então descobertas fundamentais precisam ser feitas primeiro."

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