Uma descoberta bizarra

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

Financiada pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA e pelo Departamento de Energia dos EUA, a pesquisa foca em um efeito intrigante 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 velocidade com que essas “molas eletrônicas” 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 profundo (conhecido como volume).

Buscando Respostas Dentro do Material

Se as oscilações viessem da superfície, isso seria particularmente empolgante para potenciais tecnologias. Materiais chamados isolantes topológicos, que conduzem eletricidade em suas superfícies enquanto permanecem isolantes internamente, 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, elas vinham do volume do material em si.

“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, espero, em algum momento, vamos perceber como usá-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 bolsista de pesquisa Kuan-Wen Chen e os alunos de graduação Yuan Zhu, Guoxin Zheng, Dechen Zhang, Aaron Chan e Kaila Jenkins da Universidade de Michigan.

“Durante anos, os cientistas têm perseguido a resposta a uma pergunta fundamental sobre a origem dos portadores neste isolante exótico: é da massa ou da superfície, intrínseca ou extrínseca?” disse Chen. “Estamos empolgados em fornecer evidências claras de que é intrínseca e de volume.”

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 como ondas e partículas. Essa descoberta transformou a física e levou a tecnologias como células solares e microscópios eletrônicos.

A nova dualidade, afirma Li, envolve materiais que podem se comportar tanto como condutores quanto como isolantes. Sua equipe explorou essa ideia usando um composto chamado borreto 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 hospitalar.

“Na prática, estamos mostrando que essa imagem ingênua, onde imaginamos uma superfície com boa condução que é viável para uso em eletrônica, está completamente errada,” explicou Li. “É o composto inteiro que se comporta como um metal, mesmo sendo um isolante.”

Desvendando o Mistério de um “Metal Louco”

Embora esse comportamento “semelhante ao metal” apareça apenas sob condições magnéticas extremas, a descoberta levanta novas questões sobre como os materiais se comportam no nível quântico.

“Confirmar que as oscilações são de volume e intrínsecas é empolgante,” disse Zhu. “Ainda não sabemos que tipo de partículas neutras são responsáveis pela observação. Esperamos que nossas descobertas motivem novos experimentos e trabalhos teóricos.”

O projeto recebeu apoio adicional do Instituto de Matéria Adaptativa Complexa, da Fundação Gordon e Betty Moore, da Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência e da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão.