Os elétrons nos metais tentam se comportar como motoristas obedientes, mas acabam mais como carros de choque. Eles podem ser motoristas imprudentes, mas um novo estudo liderado por Cornell confirma que esse caos tem um limite estabelecido pelas leis da mecânica quântica.
O artigo da equipe, “T-Linear Resistivity from an Isotropic Planckian Scattering Rate”, escrito em colaboração com pesquisadores liderados por Louis Taillefer da Universidade de Sherbrooke no Canadá, publicado em 28 de julho na Nature. O autor principal do artigo é Gael Grissonnanche, um pós-doutorado do Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science.
Os metais carregam corrente elétrica quando os elétrons se movem juntos em conjunto. Na maioria dos metais, como o cobre e o ouro usados na fiação elétrica, os elétrons tentam evitar um ao outro e fluem em uníssono. No entanto, no caso de certos metais “estranhos”, essa harmonia é quebrada e os elétrons dissipam energia refletindo uns nos outros na taxa mais rápida possível. As leis da mecânica quântica desempenham essencialmente o papel de um guarda de trânsito de elétrons, determinando um limite máximo para a frequência com que essas colisões podem ocorrer. Os cientistas observaram anteriormente esse limite na taxa de colisão, também conhecido como “limite de Planckiano”, mas não existe uma teoria concreta que explique por que o limite deveria existir, nem se sabia como os elétrons atingem esse limite em metais estranhos. Portanto, Ramshaw e seus colaboradores decidiram medi-lo com cuidado.
“Empiricamente, sabemos que os elétrons só podem saltar uns para os outros tão rápido. Mas não temos ideia do motivo”, disse Brad Ramshaw, professor assistente da Dick & Dale Reis Johnson na Faculdade de Artes e Ciências, e o veterano do jornal autor. “Antes, o ‘limite de Planckiano’ era apenas inferido a partir de dados usando modelos muito simples. Fizemos uma medição e cálculos muito cuidadosos e mostramos que ele realmente é obedecido nos mínimos detalhes. E descobrimos que é isotrópico, então é o mesmo para elétrons viajando em qualquer direção. E isso foi uma grande surpresa. ”
Os pesquisadores concentraram seu estudo em um supercondutor de alta temperatura à base de óxido de cobre conhecido como cuprato. Trabalhando com colaboradores do National High Magnetic Field Laboratory em Tallahassee, Flórida, eles introduziram uma amostra de metal cuprato em um ímã híbrido de 45 tesla – que detém o recorde mundial de criação do mais alto campo magnético contínuo – e registraram a mudança na amostra resistência elétrica ao mudar o ângulo do campo magnético. A equipe de Ramshaw passou então a maior parte de dois anos criando um software de análise de dados numéricos para extrair as informações pertinentes.
Surpreendentemente, eles foram capazes de analisar seus dados com as mesmas equações relativamente simples usadas para metais convencionais e descobriram que os elétrons do metal cuprato obedeciam ao limite de Planckiano.
“Essa abordagem que usamos era considerada muito ingênua”, disse Grissonnanche. “Para os cientistas da área, não é óbvio a priori que isso deva funcionar, mas funciona. Então, com essa nova descoberta, matamos dois coelhos com uma cajadada só: estendemos a validade dessa abordagem simples para metais estranhos e medimos com precisão o limite de Planck. Estamos finalmente desvendando o enigma por trás dos movimentos intensos dos elétrons em metais estranhos. ”
“Não parece depender dos detalhes do material em particular”, disse Taillefer. “Portanto, deve ser algo quase como um princípio fundamental, insensível aos detalhes.”
Ramshaw acredita que outros pesquisadores podem agora usar essa estrutura de cálculo para analisar uma ampla classe de problemas e fenômenos experimentais. Afinal, se funciona em metais estranhos, deve funcionar em muitas outras áreas.
E talvez esses metais estranhos sejam um pouco mais ordenados do que se pensava.
“Você tem esses ingredientes microscópicos extremamente complicados e mecânica quântica e, do outro lado, você obtém uma lei muito simples, que é a taxa de dispersão depende apenas da temperatura e nada mais, com uma inclinação igual à fundamental constantes da natureza que conhecemos “, disse ele. “E o surgimento de algo simples a partir de ingredientes tão complicados é realmente lindo e atraente.”
Essas descobertas também podem permitir uma compreensão mais profunda das conexões entre os sistemas quânticos e fenômenos semelhantes na gravitação, como a física dos buracos negros – de fato, construindo uma ponte sobre o mundo estonteante e pequeno da mecânica quântica e suas teorias “duais” na relatividade geral, dois ramos da física que os cientistas vêm tentando reconciliar há quase um século.
Os co-autores incluem o doutorando Yawen Fang e pesquisadores da Université de Sherbrooke no Canadá, da University of Texas em Austin, do National High Magnetic Field Laboratory e da University of Warwick no Reino Unido.
Publicado em 29/07/2021 17h20
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