Os metais quânticos são um grupo único de materiais onde comportamentos quânticos, tipicamente restritos à escala atômica, tornam-se fortes o suficiente para moldar como a eletricidade se comporta em todo o material.
Uma equipe de pesquisadores no Japão descobriu agora como as correntes elétricas se movem através de uma categoria particular desses materiais, conhecidos como metais kagome. Seu estudo revelou pela primeira vez que mesmo campos magnéticos fracos podem inverter pequenas correntes elétricas circulantes dentro do metal. Essa reversão altera a facilidade com que a corrente flui dependendo da direção, produzindo o que os cientistas chamam de efeito de diodo – onde a eletricidade passa mais livremente em uma direção do que na outra.
Os pesquisadores também descobriram que as propriedades geométricas quânticas amplificam esse efeito em cerca de 100 vezes. Suas descobertas, publicadas na Proceedings of the National Academy of Sciences, estabelecem a base teórica para futuras tecnologias eletrônicas que podem ser ajustadas ou trocadas usando campos magnéticos simples.
Desde cerca de 2020, os cientistas têm observado esse tipo de comutação magnética em experimentos, mas não conseguiam explicar o mecanismo ou por que o efeito era tão pronunciado. A nova pesquisa oferece a primeira explicação teórica completa para ambos.
Quando os elétrons se tornam “frustrados”
O termo “metal kagome” vem da palavra japonesa “kagome”, que significa “olhos de cesta” ou “padrão de cesta”, inspirado por uma técnica de tecelagem em bambu tradicional que cria triângulos interligados.
Nesses materiais, os átomos adotam a mesma disposição triangular distinta. Essa geometria provoca o que os físicos descrevem como “frustração geométrica”, uma condição em que os elétrons não conseguem se acomodar em arranjos ordenados e neat. Em vez disso, eles formam estados quânticos intrincados que incluem os laços elétricos circulantes observados em experimentos.
Quando a direção desses laços se inverte, a forma como a eletricidade viaja através do metal também muda. A equipe descobriu que essas correntes circulantes interagem com padrões eletrônicos semelhantes a ondas (conhecidos como ondas de densidade de carga), perturbando simetrias-chave na estrutura eletrônica do metal. Eles também mostraram que os efeitos geométricos quânticos – fenômenos que aparecem apenas nas menores escalas – intensificam esse comportamento de comutação dramaticamente.
“Toda vez que vimos a comutação magnética, sabíamos que algo extraordinário estava acontecendo, mas não conseguimos explicar o porquê”, recordou Hiroshi Kontani, autor sênior e professor da Graduate School of Science da Nagoya University.
“Os metais kagome têm amplificadores embutidos 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 simultaneamente certas regras fundamentais da física, um fenômeno conhecido como quebra espontânea de simetria. Isso é extremamente raro na natureza e explica por que o efeito é tão poderoso.”
Para realizar os experimentos, os pesquisadores resfriaram os metais a cerca de -190°C. A essa temperatura, os metais kagome desenvolvem naturalmente estados quânticos onde os elétrons se movem em pequenos laços, gerando padrões semelhantes a ondas em todo o material. Quando campos magnéticos fracos são aplicados, essas correntes circulares invertem direção, virando o fluxo preferencial da corrente elétrica no processo.
Novos materiais encontram nova teoria
Esse avanço em física quântica não foi possível até recentemente, pois os metais kagome foram descobertos apenas em 2020. Embora os cientistas rapidamente tenham observado o misterioso efeito de comutação elétrica em experimentos, não conseguiram explicar como funcionava.
As interações quânticas envolvidas são muito complexas e requerem um entendimento avançado de como as correntes de laço, a geometria quântica e os campos magnéticos interagem, conhecimento que só se desenvolveu nos últimos anos. Esses efeitos também são muito sensíveis a impurezas, tensão e condições externas, o que torna difícil o seu estudo.
“Essa descoberta aconteceu porque três coisas se juntaram no momento certo: finalmente tivemos novos materiais, teorias avançadas para entendê-los e equipamentos de alta tecnologia para estudá-los adequadamente. Nenhuma dessas condições existia em conjunto até muito recentemente, por isso ninguém conseguiu resolver esse enigma antes”, acrescentou o Professor Kontani.
“O controle magnético das propriedades elétricas nesses metais poderia 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 tecnologia controlada por quântica”, afirmou.