Metal com estrutura de cesto reescreve as regras da eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/10/2025

Correntes elétricas de circulação permanentes nos metais kagome.
[Imagem: Kano Okada, Nagoya University]

Efeito diodo natural

Normalmente os efeitos da mecânica quântica só importam quando observamos os materiais em escala atômica. Mas esta não é uma regra taxativa, sendo possível encontrar situações em que os efeitos quânticos são poderosos o suficiente para alterar as propriedades macroscópicas dos materiais.

Nesses casos, os cientistas passam a chamá-los de "materiais quânticos". É o caso do "metal quântico" com que Rina Tazai e colegas da Universidade de Nagoia, no Japão, estavam trabalhando.

Mais especificamente, a pesquisadora estava trabalhando com uma liga complexa de césio, vanádio e antimônio (CsV₃Sb₅), que possui uma estrutura molecular muito característica, pertencendo a um grupo conhecido como metais kagome - kagome refere-se a cestos de bambu trançados com um padrão especial de hexágonos e triângulos que se tocam nas bordas.

Tazai descobriu que este é o primeiro caso conhecido de um metal no qual campos magnéticos fracos revertem as correntes elétricas que estão percorrendo a estrutura atômica, fazendo a eletricidade caminhar em círculos dentro desses metais.

Essa comutação, tipicamente um efeito quântico, altera as propriedades elétricas macroscópicas do metal, criando uma direção preferencial do fluxo elétrico, uma propriedade conhecida como efeito diodo. O diodo é um dos componentes eletrônicos fundamentais, responsável por fazer a corrente fluir em um único sentido - de maneira simplificada, um transístor é formado pela junção de dois diodos.

O que é mais notável é que os efeitos geométricos quânticos do metal kagome amplificam essa comutação em cerca de 100 vezes, abrindo o caminho para que o material seja utilizado em novos componentes eletrônicos controlados por ímãs, só que componentes muito mais simples e menores do que os diodos atuais, e acionáveis por campos magnéticos fracos.

Estrutura e comportamento dos elétrons em metais kagome: (A) O arranjo atômico triangular mostrando como pequenas correntes elétricas fluem em laços. (B) Como os elétrons se organizam em padrões ondulatórios de densidade. (C) Como os elétrons normalmente se movem através do material. (D) Como o movimento dos elétrons é afetado pelos padrões ondulatórios. (E) O estado combinado, quando coexistem as correntes de circulação e os padrões ondulatórios, criando as condições para a comutação magnética.
[Imagem: Rina Tazai et al. - 10.1073/pnas.2503645122]

Metais kagome

Os metais kagome só foram descobertos por volta de 2020, inicialmente como demonstrações teóricas envolvendo o grafeno.

Eles são especiais porque seus átomos são organizados em um padrão único, similar à trama das cestas de bambu, o que cria o que os cientistas chamam de frustração geométrica: Os elétrons não conseguem se acomodar em padrões simples e organizados, sendo forçados a assumir estados quânticos mais complexos, que incluem as correntes em forma de laço (correntes de circulação, ou correntes de loop).

Quando as correntes de circulação dentro desses metais mudam de direção, o comportamento elétrico do metal se altera no nível macroscópico. Os pesquisadores demonstraram que as correntes de circulação e os padrões de elétrons em forma de onda (ondas de densidade de carga) trabalham juntos para quebrar simetrias fundamentais na estrutura eletrônica. Eles também descobriram que efeitos geométricos quânticos - comportamentos únicos que ocorrem apenas nas menores escalas da matéria - aumentam significativamente o efeito de comutação.

"Os metais kagome possuem amplificadores integrados que tornam os efeitos quânticos muito mais fortes do que seriam em metais comuns. A combinação de sua estrutura cristalina e comportamento eletrônico permite que eles quebrem certas regras fundamentais da física simultaneamente, um fenômeno conhecido como quebra espontânea de simetria. Isso é extremamente raro na natureza e explica por que o efeito é tão poderoso," disse o professor Hiroshi Kontani.

"O controle magnético das propriedades elétricas desses metais pode potencialmente possibilitar novos tipos de dispositivos de memória magnética ou sensores ultrassensíveis. Nosso estudo fornece a compreensão fundamental necessária para começar a desenvolver a próxima geração de tecnologias de controle quântico," acrescentou Kontani.

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