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Materiais Avançados

Metais estranhos não são esquisitos, são uma nova fase da matéria

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/09/2020

Metais estranhos não são esquisitos, são uma nova fase da matéria
Os metais estranhos não transicionam drasticamente de condutor para isolante.
[Imagem: Peter Cha et al. - 10.1073/pnas.2003179117]

Metais estranhos

Os chamados "metais estranhos" podem não ser apenas sujeitos esquisitos: Eles podem na verdade ser uma nova fase da matéria.

Os metais estranhos - também chamados de metais planckianos - receberam esse nome devido ao comportamento peculiar dos seus elétrons. Ao contrário dos elétrons nos metais comuns, que viajam livremente, com poucas interações e pouca resistência, os elétrons nos metais estranhos se movem lentamente e de maneira restrita. Eles também dissipam energia na taxa mais rápida possível permitida pelas leis fundamentais da mecânica quântica, têm um alto nível de comportamento caótico e alta resistividade elétrica.

O resultado prático é que os metais estranhos ficam em algum lugar entre os metais, condutores de eletricidade, e os isolantes, que possuem elétrons de forte interação que ocupam posições fixas.

E isso não é tudo: Os metais estranhos podem se tornar supercondutores quando são resfriados abaixo de uma certa temperatura crítica - relativamente alta para os supercondutores. É difícil entender isso porque os elétrons estão entrelaçados, o que significa que eles não podem ser tratados como partículas individuais.

"Assim como temos recomendações de distanciamento social por ordem de nossos governantes [durante a pandemia], os elétrons têm recomendações de distanciamento social por ordem da Mãe Natureza," compara a professora Eun-Ah Kim, da Universidade de Cornell, nos EUA. "Mas exatamente como essa ordem de distanciamento social resulta nesse comportamento particular e maximamente caótico é um mistério. Como você sai da ordem de 'Ok, todos vocês devem se repelir mutuamente', para esta forma particular de comportamento caótico e incongruente? Isso sugere que há algo neste estado muito confuso que é uma semente para um estado muito organizado."

Metais estranhos não são esquisitos, são uma nova fase da matéria
O hexaboreto de samário é um material estranho e interessante: ele é simultaneamente condutor e isolante.
[Imagem: B. S. Tan et al. - 10.1126/science.aaa7974]

Nova fase da matéria

A equipe da professora Kim acredita ter encontrado agora uma resposta para esse comportamento em termos mais científicos, tirando o mecanismo da classe das esquisitices: Os metais estranhos não estão indecisos entre as fases condutora e isolante, eles representam uma fase diferente da matéria, que se apresenta em uma faixa muito estreita de temperatura.

A equipe criou o primeiro modelo de comportamento de um metal planckiano até a temperatura mais baixa possível, o zero absoluto (zero grau Kelvin ou -273,15 ºC), a região quântica crítica quando um estado da matéria faz a transição para outro.

Ajustando a proporção entre a "necessidade" dos elétrons de saltar (energia cinética) e as fortes "interações sociais" que prendem os elétrons na posição de acordo com seus spins (energia de interação) - o que os pesquisadores comparam a uma ordem para o distanciamento social - a equipe colocou o sistema à beira da transição entre um metal comum e um isolante acionado por interação.

Metais estranhos não são esquisitos, são uma nova fase da matéria
Outra fase da matéria descoberta recentemente são os líquidos planos.
[Imagem: Koskinen/Korhonen - 10.1039/C5NR01849H]

Relutantemente metálico

Quando o distanciamento social dos elétrons é mais forte, o sistema entra em um estado isolante, chamado de "vidro de spin", no qual os elétrons imóveis são representados apenas por seus spins pouco alinhados - a descoberta desse estado rendeu o Nobel de Física de 2016.

Mas quando a energia cinética domina, o sistema entra em um estado de metal, conhecido como líquido de Fermi, no qual um grande número de elétrons pode ser modelado como se fossem quasipartículas que não interagem entre si, cada uma com uma massa efetiva superior à de um elétron livre.

De modo diferente, porém, na fase dos metais estranhos, a condutividade elétrica depende linearmente da temperatura - nos metais, a condutividade varia com o quadrado da temperatura. Assim, propõe a equipe, esses metais estranhos, ou planckianos, poderão ser conhecidos a partir de agora como "líquidos não-Fermi".

"Descobrimos que há uma região inteira no espaço de fase que apresenta um comportamento de Planck que não pertence a nenhuma das duas fases entre as quais estamos fazendo a transição," disse Kim. "Neste estado quântico de líquido de spin, os elétrons não estão totalmente travados, mas também não estão totalmente livres. É um estado lento, viscoso e lamacento. É metálico, mas relutantemente metálico, e está levando o grau de caos ao limite da mecânica quântica."

Bibliografia:

Artigo: Linear resistivity and Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) spin liquid behavior in a quantum critical metal with spin-1/2 fermions
Autores: Peter Cha, Nils Wentzell, Olivier Parcollet, Antoine Georges, Eun-Ah Kim
Revista: Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.2003179117





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