Nova teoria sobre como metais conduzem eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/09/2022

A nova fórmula representa uma simplificação dramática na descrição da condutividade elétrica dos metais - ou, visto de outro modo, de sua resistividade.
[Imagem: Beatriz Noheda/University of Groningen]

Condução nos metais

Você acha que ciência compreende tudo sobre o modo como os metais conduzem eletricidade?

Qikai Guo e seus colegas da Universidade de Gronigen, nos Países Baixos, acabam de demonstrar que não.

Segundo eles, nossa compreensão teórica da maneira pela qual os metais conduzem eletricidade é incompleta: A taxonomia atual parece ser muito confusa e contém muitas exceções para ser convincente.

Eles chegaram a esta conclusão depois de analisar detalhadamente 30 metais e demonstrar que uma fórmula simples pode fornecer uma classificação dos metais quanto à condutividade elétrica de forma muito mais sistemática do que as teorias atuais.

Classes de metais

Os metais conduzem eletricidade, mas nem todos da mesma maneira. Os cientistas diferenciam várias classes de metais com nomes como "correlacionados", "normais", "estranhos" ou "ruins", classificando, por exemplo, o modo como sua resistividade - a resistência à passagem da eletricidade - responde a variações na temperatura.

"A teoria afirma que a resposta da resistividade é ditada pelo espalhamento dos elétrons e que existem diferentes mecanismos de espalhamento em diferentes temperaturas," detalhou a professora Beatriz Noheda, coordenadora da pesquisa.

Por exemplo, em temperaturas muito baixas, há um aumento quadrático na resistividade, explicado como o resultado do espalhamento elétron-elétron. No entanto, alguns materiais (os chamados "metais estranhos") apresentam um comportamento linear estrito que ainda não é compreendido.

Há propostas para explicar esse aumento linear pelo espalhamento elétron-fônon, que ocorreria em temperaturas mais altas, mas a dispersão não pode aumentar indefinidamente, o que significa que a saturação deve ocorrer em uma determinada temperatura. "Ainda assim, alguns metais não apresentam saturação dentro da faixa de temperatura mensurável e foram chamados de metais 'ruins'," conta Noheda.

Ou seja, a equipe constatou que não há uma demarcação clara entre as classes de metais. "Então, decidimos dar uma olhada em uma grande amostra de metais," disse Guo.

Os metais estranhos não são esquisitos, são uma nova fase da matéria.
[Imagem: Koskinen/Korhonen - 10.1039/C5NR01849H]

Fórmula simples para a resistividade dos metais

Bastou olhar para os dados experimentais, computando a resistividade frente ao aumento da temperatura, para que surgisse a surpresa.

"Nós conseguimos ajustar todos os conjuntos de dados com o mesmo tipo de fórmula. Descobrimos que usar apenas um termo linear e quadrático é suficiente para produzir um ajuste muito bom para todos os metais," explicou Noheda.

A fórmula simples é uma expansão de Taylor, na qual a resistividade r é descrita como r = r0 + A1T + A2T2 + A3T3..., em que T é a temperatura, enquanto r0 e os vários valores de A são constantes diferentes. Ou seja, o comportamento dos diferentes tipos de metais é determinado pela importância relativa de A1 e A2 e pela magnitude de r0.

"Nossa fórmula é uma descrição puramente matemática, sem suposições físicas, e depende de apenas dois parâmetros," disse a pesquisadora. Isso significa que os regimes linear e quadrático não descrevem mecanismos diferentes - como espalhamento elétron-fônon e elétron-elétron -, mas representam apenas as contribuições linear (por dissipação incoerente, onde a fase da onda do elétron é alterada pelo espalhamento) e não-linear coerente (onde a fase não muda) para a dispersão.

Assim, uma única fórmula simples consegue descrever a resistividade para todos os metais - sejam eles normais, correlacionados, ruins, estranhos ou o que seja, tudo de forma simples mesmo para os não especialistas.

E essa descrição também traz outra recompensa: Ela mostra que o termo de dissipação linear em baixas temperaturas (chamado de dissipação planckiana) aparece em todos os metais. Essa universalidade é algo que outros pesquisadores já haviam sugerido, mas essa fórmula mostra claramente que esse é, de fato, o caso.

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