Em uma descoberta surpreendente, os físicos de Princeton observaram um comportamento quântico inesperado em um isolante feito de um material chamado ditelureto de tungstênio. Este fenômeno, conhecido como oscilação quântica, é tipicamente observado em metais, em vez de isoladores, e sua descoberta oferece novos insights sobre nossa compreensão do mundo quântico. As descobertas também sugerem a existência de um tipo inteiramente novo de partícula quântica.
A descoberta desafia uma distinção de longa data entre metais e isoladores, porque na teoria quântica dos materiais estabelecida, os isoladores não eram considerados capazes de sofrer oscilações quânticas.
“Se nossas interpretações estiverem corretas, estamos vendo uma forma fundamentalmente nova de matéria quântica”, disse Sanfeng Wu, professor assistente de física na Universidade de Princeton e autor sênior de um artigo recente na Nature detalhando essa nova descoberta. “Agora estamos imaginando um mundo quântico totalmente novo escondido em isoladores. É possível que simplesmente não os tenhamos identificado nas últimas décadas.”
A observação das oscilações quânticas há muito tempo é considerada uma marca da diferença entre metais e isoladores. 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, pode fazer com que os elétrons mudassem de um estado “clássico” para um estado quântico, causando oscilações na resistividade do metal. Em isoladores, 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.
A descoberta foi feita quando os pesquisadores estudavam um material chamado ditelureto de tungstênio, que transformaram em um material bidimensional. Eles prepararam o material usando fita adesiva padrão para esfoliar cada vez mais, ou “barbear”, as camadas até o que é chamado de monocamada – uma única camada com a espessura de um átomo. O ditelureto de tungstênio espesso se comporta como um metal. Mas, uma vez convertido em monocamada, torna-se um isolante muito forte.
“Este material tem muitas propriedades quânticas especiais”, disse Wu.
Os pesquisadores então começaram a medir a resistividade do ditelureto de tungstênio monocamada sob campos magnéticos. Para sua surpresa, a resistividade do isolador, apesar de ser bastante grande, começou a oscilar à medida que o campo magnético aumentava, indicando a mudança para um estado quântico. Na verdade, o material – um isolante muito forte – exibia a propriedade quântica mais notável de um metal.
“Isso foi uma surpresa completa”, disse Wu. “Nós nos perguntamos: ‘O que está acontecendo aqui?’ Ainda não o entendemos totalmente.”
Wu observou que não existem teorias atuais para explicar esse fenômeno.
No entanto, Wu e seus colegas apresentaram uma hipótese provocativa – uma forma de matéria quântica com carga neutra. “Por causa de interações muito fortes, os elétrons estão se organizando para produzir esse novo tipo de matéria quântica”, disse Wu.
Mas, em última análise, não são mais os elétrons que estão oscilando, disse Wu. Em vez disso, os pesquisadores acreditam que novas partículas, que eles apelidaram de “férmions neutros”, nascem desses elétrons em forte interação e são responsáveis por criar esse efeito quântico altamente notável.
Os férmions são uma categoria de partículas quânticas que incluem elétrons. Em materiais quânticos, os férmions carregados podem ser elétrons carregados negativamente ou “buracos” carregados positivamente que são responsáveis pela condução elétrica. Ou seja, se o material é um isolante elétrico, esses férmions carregados não podem se mover livremente. No entanto, partículas que são neutras – ou seja, nem negativamente nem positivamente carregadas – são teoricamente possíveis de estar presentes e móveis em um isolador.
“Nossos resultados experimentais conflitam com todas as teorias existentes baseadas em férmions carregados”, disse Pengjie Wang, co-autor do artigo e associado de pesquisa de pós-doutorado, “mas podem ser explicados na presença de férmions de carga neutra.”
A equipe de Princeton planeja mais investigação sobre as propriedades quânticas do ditelureto de tungstênio. Eles estão particularmente interessados em descobrir se sua hipótese – sobre a existência de uma nova partícula quântica – é válida.
“Este é apenas o ponto de partida”, disse Wu. “Se estivermos corretos, futuros pesquisadores encontrarão outros isolantes com essa propriedade quântica surpreendente.”
Apesar da novidade da pesquisa e da tentativa de interpretação dos resultados, Wu especulou sobre como esse fenômeno poderia ser colocado em uso prático.
“É possível que férmions neutros possam ser usados no futuro para codificar informações que seriam úteis na computação quântica”, disse ele. “Nesse ínterim, no entanto, ainda estamos nos estágios iniciais de compreensão de fenômenos quânticos como este, então descobertas fundamentais precisam ser feitas.”
Publicado em 15/01/2021 16h52
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