Lu Li, um físico que estuda materiais avançados, sabe que as pessoas costumam querer ouvir como sua pesquisa pode levar a novas tecnologias ou avanços práticos. Mas, às vezes, o que ele descobre é tão incomum que seu valor reside puramente em revelar quão estranho o universo pode ser.
Trabalhando com uma equipe internacional de cientistas, Li fez uma dessas descobertas, recentemente descrita na Physical Review Letters.
“Eu adoraria afirmar que há uma grande aplicação, mas meu trabalho continua afastando esse sonho,” disse Li, professor de física na Universidade de Michigan. “Mas o que encontramos ainda é realmente bizarro e empolgante.”
Oscilações Quânticas: Quando Elétrons Agem Como Molas
Com o apoio da Fundação Nacional de Ciências dos EUA e do Departamento de Energia dos EUA, a pesquisa se concentra em um efeito enigmático chamado oscilações quânticas. Em metais, essas oscilações ocorrem quando os elétrons se comportam como pequenas molas, vibrando em resposta a campos magnéticos. Mudando a intensidade do campo magnético, os cientistas podem alterar a rapidez com que essas “moléculas de elétrons” se movem.
Nos últimos anos, no entanto, pesquisadores descobriram as mesmas oscilações quânticas em isolantes — materiais que não deveriam conduzir eletricidade ou calor. Essa revelação deixou os cientistas debatendo se o efeito se origina apenas na superfície desses materiais ou em seu interior (conhecido como bulk).
Buscando Respostas Dentro do Material
Se as oscilações proviessem da superfície, isso seria particularmente empolgante para tecnologias potenciais. Materiais chamados isolantes topológicos, que conduzem eletricidade em suas superfícies enquanto permanecem isolantes por dentro, já estão sendo estudados para novos tipos de dispositivos eletrônicos, ópticos e quânticos.
Para explorar o mistério, Li e seus colaboradores recorreram ao Laboratório Nacional de Campo Magnético, lar dos ímãs mais poderosos do mundo. Seus experimentos revelaram que as oscilações não eram apenas um efeito superficial. Em vez disso, vieram do próprio bulk do material.
“Eu gostaria de saber o que fazer com isso, mas neste estágio não temos ideia,” admitiu Li. “O que temos agora é uma evidência experimental de um fenômeno notável, nós o registramos e, esperamos, em algum momento, perceberemos como utilizá-lo.”
Uma Colaboração Global e um Resultado Claro
O estudo envolveu mais de uma dúzia de cientistas de seis instituições nos Estados Unidos e no Japão, incluindo o pesquisador Kuan-Wen Chen e os estudantes de graduação Yuan Zhu, Guoxin Zheng, Dechen Zhang, Aaron Chan e Kaila Jenkins da Universidade de Michigan.
“Durante anos, os cientistas buscaram a resposta para uma questão fundamental sobre a origem do portador neste isolante exótico: é do bulk ou da superfície, intrínseco ou extrínseco?” disse Chen. “Estamos empolgados em fornecer evidências claras de que é bulk e intrínseco.”
Uma “Nova Dualidade” na Física
Li descreve a descoberta como parte do que ele chama de “nova dualidade.” A dualidade original, ou “velha”, na física surgiu há mais de um século, quando os cientistas perceberam que a luz e a matéria podem agir tanto como ondas quanto como partículas. Essa descoberta transformou a física e levou a tecnologias como células solares e microscópios eletrônicos.
A nova dualidade, diz Li, envolve materiais que podem se comportar tanto como condutores quanto como isolantes. Sua equipe explorou essa ideia usando um composto chamado bororeto de itérbio (YbB12) dentro de um campo magnético tão poderoso que alcançou 35 Tesla — cerca de 35 vezes mais forte do que o campo dentro de uma máquina de ressonância magnética de hospital.
“Basicamente, estamos mostrando que essa imagem ingênua onde imaginávamos uma superfície com boa condução viável para uso em eletrônicos está completamente errada,” explicou Li. “É todo o composto que se comporta como um metal, mesmo sendo um isolante.”
Desvendando o Mistério de um “Metal Louco”
Ainda que esse comportamento “semelhante ao metal” apareça apenas sob condições magnéticas extremas, a descoberta levanta novas questões sobre como os materiais se comportam em nível quântico.
“Confirmar que as oscilações são bulk e intrínsecas é empolgante,” disse Zhu. “Ainda não sabemos que tipo de partículas neutras são responsáveis pela observação. Esperamos que nossas descobertas motivem mais experimentos e trabalhos teóricos.”
O projeto recebeu apoio adicional do Instituto de Materiais Complexos Adaptativos, da Fundação Gordon e Betty Moore, da Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência e da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão.