Uma partícula quântica até então desconhecida – equivalente a um elétron neutro – pode ter sido encontrada em um novo estado da matéria.
O excêntrico sem carga não seria um dos blocos de construção fundamentais da matéria, no entanto. Em vez disso, seria uma quase-partícula que emerge do comportamento coletivo de um material apenas quando as condições são adequadas. No novo estudo, essas condições foram observadas em folhas de um cristal semimetálico que exibia algum comportamento eletromagnético estranho.
“Se nossas interpretações estiverem corretas, estamos vendo uma forma fundamentalmente nova de matéria quântica”, disse o físico Sanfeng Wu da Universidade de Princeton em um comunicado. Wu é o autor sênior de um novo estudo que descreve a descoberta de 4 de janeiro na revista Nature.
Os materiais regulares apresentam um comportamento distinto nessas condições: os metais exibem um fenômeno denominado “oscilação quântica”, em que sua resistividade alterna rapidamente entre diferentes valores.
Wu explicou que as oscilações quânticas ocorrem porque os elétrons do material estão mudando entre seu estado clássico normal e os estados mecânicos quânticos causados por seu movimento circular no campo magnético – efetivamente um tipo de “superposição” quântica em que um elétron pode ocupar vários estados diferentes em uma vez.
Mas os isoladores não mostram oscilações quânticas; e então Wu e seus colegas ficaram surpresos ao ver que a resistividade da monocamada de ditelureto de tungstênio começou a oscilar à medida que o campo magnético aumentava – o comportamento distinto de um metal.
“Isso foi uma surpresa completa”, disse ele. “Nós nos perguntamos: ‘O que está acontecendo aqui?’ Ainda não o entendemos totalmente.”
Oscilação quântica
Os físicos descobriram a oscilação quântica há quase um século. Os metais geralmente têm baixa resistividade – seus elétrons mais externos não estão fortemente ligados a seus átomos pais, então os metais permitem que os elétrons móveis fluam e conduzam a corrente elétrica.
Nos primeiros experimentos, os pesquisadores exporiam um metal a um campo magnético em temperaturas super baixas e descobriram que a resistividade do material primeiro aumentaria e, em seguida, começaria a alternar entre níveis superiores e inferiores.
Sabe-se agora que um campo magnético forte o suficiente faz com que os elétrons em um metal mudem entre seu estado clássico normal e seus estados mecânicos quânticos circulares, causando as oscilações na resistividade do metal; e as oscilações quânticas se tornaram uma ferramenta padrão para caracterizar muitas das propriedades dos metais, disse Wu.
Em contraste, os elétrons em materiais isolantes não podem se mover, então eles não conduzem bem a corrente elétrica e têm resistividade muito alta. Isoladores geralmente não mostram oscilações quânticas, não importa quão forte seja o campo magnético.
Portanto, as oscilações quânticas observadas na monocamada supostamente isolante de ditelureto de tungstênio foram inesperadas, disse Wu.
Embora o material tivesse alta resistividade, ele começou a oscilar entre níveis mais altos e mais baixos de resistividade conforme a intensidade do campo magnético aumentava. Essa oscilação indicava que os elétrons do material estavam mudando para fases quantizadas causadas pelo campo magnético – uma propriedade fundamental de um metal, mas em um isolante forte, disse ele.
Novo assunto
A física moderna não explica a descoberta, disse Wu, e ele e sua equipe levantam a hipótese de que as oscilações observadas são causadas por uma forma até então desconhecida de matéria quântica.
Eles acham que as oscilações quânticas podem ser explicadas por “quasipartículas”, nunca vistas antes, que surgem dos elétrons fixos quando a monocamada de ditelureto de tungstênio é exposta a um campo magnético forte o suficiente. E eles sugerem que esta quasipartícula é um “férmion neutro” – o equivalente a um elétron, mas sem carga elétrica.
Férmions com carga normal são elétrons carregados negativamente ou “buracos” carregados positivamente que são percebidos como o fluxo de corrente em um metal – os elétrons estão realmente fluindo na direção oposta da corrente.
Mas os pesquisadores acreditam que seus férmions neutros podem existir e ser móveis em um isolante, causando interações entre uma corrente e as partículas neutras que emergem dos elétrons fixos que podem ser detectados como oscilações quânticas.
“Aqui, os férmions de carga neutra são uma partícula emergente, devido ao comportamento coletivo de um sistema de muitos elétrons que interage fortemente”, disse Wu. “Portanto, esta não é [uma das] partículas elementares do Modelo Padrão”, disse ele, referindo-se ao modelo que governa o às vezes bizarro mundo da física de partículas.
Eles agora estão planejando maneiras de testar sua hipótese de “férmions neutros” em ditelureto de tungstênio, e estão procurando outros isolantes que também desenvolvam oscilações quânticas, disse ele.
“É difícil imaginar aplicações futuras neste estágio, mas tenho certeza de que estarão relacionadas às nossas futuras tecnologias quânticas”, disse Wu. Da mesma forma, “era difícil imaginar a eletrônica moderna quando um elétron foi visto pela primeira vez.”
A equipe de Wu preparou suas monocamadas de ditelureto de tungstênio “raspando” progressivamente uma lasca cada vez mais fina com fita adesiva regular.
Embora pareça simples, este chamado “método da fita adesiva” é comumente usado para criar monocamadas de materiais adequados e levou à descoberta de materiais “bidimensionais” como o grafeno, que recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2010.
Publicado em 27/01/2021 15h43
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