Materiais condutores-isolantes revelam seus segredos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/06/2002

Pesquisas feitas por físicos do Laboratório Nacional Brookhaven (Departamento de Energia dos Estados Unidos), estão permitindo um melhor entendimento do porquê de alguns materiais feitos de placas metálicas apresentarem comportamento condutor na direção do plano e comportamento isolante na perpendicular desses planos. Esse comportamento é contraditório com o entendimento tradicional da condutividade dos metais, pelo qual a corrente elétrica é conduzida pela movimentação dos elétrons, que se dá em todas as direções. Entender como esses materiais podem ser tanto condutores quanto isolantes poderá ajudar os cientistas a entenderem melhor os supercondutores, materiais que conduzem eletricidade sem perda de energia.

O cientistas suspeitam que o comportamento duplo deva-se a uma interação tão forte entre os elétrons que eles não se movem individualmente, mas coletivamente, fazendo a corrente fluir ao longo dos planos metálicos. Mas até agora não havia evidências de tais interações.

"Um material que é tanto condutor quanto isolante é algo muito intrigante", diz o físico Tonica Valla, um dos autores do estudo que foi publicado na revista Nature. "Esse comportamento duplo tem desafiado os cientistas por vários anos. E embora explicações téoricas tenham sido sugeridas, nós agora mostramos pela primeira vez que a força das interações entre os elétrons excitados influencia seu comportamento."

Valla e seus colaboradores estudaram dois materiais condutores-isolantes diferentes, e mostraram que os elétrons que estavam confinados no plano a altas temperaturas, foram capazes de se mover entre os planos quando em baixa temperatura, permitindo que o material se comportasse como um metal. A temperatura crítica, na qual a mudança ocorre, situa-se entre -73 e -184º C, dependendo do material.

"Estes planos agem como trens e os elétrons como passageiros nos trens", disse Peter Johnson, co-autor do estudo. "A altas temperaturas, os elétrons estão agrupados como passageiros dentro de trens em movimento. Então, abaixo da temperatura crítica, os elétrons não mais ficam agrupados e começam a se mover da mesma forma que passageiros deixando um trem parado."

Para examinar as interações entre os elétrons, os cientistas utilizaram luz ultravioleta extremamente intensa, gerada no National Synchrotron Light Source. Eles observaram como a luz excita os elétrons em cada um dos materiais e utilizaram um método chamado ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy) para medir precisamente a intensidade da luz emitida pelos elétrons em função de sua energia. O espectro resultante foi determinado para várias temperaturas. Abaixo da temperatura crítica, um sinal começou a aparecer no espectro. Fraco inicialmente, o sinal se torna mais forte à medida em que a temperatura cai. Segundo os pesquisadores, esse sinal, uma evidência de elétrons individuais, já havia sido previsto teoricamente, mas ninguém havia conseguido observá-lo experimentalmente.