Descoberto supercondutor onde elétrons fluem como líquido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/09/2021

Um pequeno cristal do novo material montado do dispositivo experimental. No detalhe, a rede atômica do material.
[Imagem: Fazel Tafti/Boston College]

Fluido de elétrons

Ao estudar um material supercondutor, uma equipe de pesquisadores teve uma surpresa: O movimento dos elétrons nesse metal flui da mesma forma que a água flui em um tubo.

Esse comportamento muda fundamentalmente o comportamento dos elétrons, de uma dinâmica semelhante a uma partícula, para uma espécie de hidrodinâmica, semelhante a um fluido.

O supercondutor metálico, uma liga de nióbio e germânio (NbGe₂), apresenta uma forte interação entre elétrons e fônons, que são vibrações de uma estrutura cristalina, quando "pacotes" de átomos ou moléculas vibram coletivamente, explicando a difusão do calor e do som, por exemplo.

"Queríamos testar uma previsão teórica recente do 'fluido elétron-fônon'. Normalmente os elétrons são rebatidos pelos fônons, o que leva ao movimento difusivo usual dos elétrons nos metais. Uma nova teoria mostra que, quando os elétrons interagem fortemente com os fônons, eles irão formar um líquido elétron-fônon coeso. Este novo líquido fluirá dentro do metal exatamente da mesma maneira que a água flui em um cano," explicou o professor Fazel Tafti, do Boston College, nos EUA.

Elétrons pesados

Nosso dia a dia depende do fluxo de água nos canos e dos elétrons nos fios. Por mais semelhantes que possam parecer, contudo, os dois fenômenos são fundamentalmente diferentes: As moléculas de água fluem como um continuum de fluido, obedecendo às leis da hidrodinâmica, e não como moléculas individuais; os elétrons, no entanto, fluem como partículas individuais e se difundem dentro dos metais à medida que trombam e são espalhados pelos fônons, as vibrações da rede cristalina.

Para investigar a condução de eletricidade no NbGe₂, a equipe aplicou três métodos experimentais: As medições de resistividade elétrica mostraram uma massa maior do que o esperado para os elétrons; o espalhamento Raman mostrou uma mudança de comportamento na vibração do cristal devido a esse fluxo especial dos elétrons; e a difração de raios X revelou a estrutura cristalina do material.

Usando uma técnica conhecida como "oscilações quânticas" para avaliar a massa dos elétrons no material, os pesquisadores descobriram que a massa dos elétrons em todas as trajetórias era três vezes maior do que o valor esperado.

"Isso foi realmente surpreendente porque não esperávamos tais 'elétrons pesados' em um metal aparentemente simples," disse Tafti. "Eventualmente, nós entendemos que a forte interação elétron-fônon era responsável pelo comportamento do elétron pesado. Como os elétrons interagem fortemente com as vibrações da rede, ou fônons, eles são 'arrastados' pela rede e parece que eles ganharam massa e tornaram-se pesados."

Em vez de saírem destrambelhados, trombando com tudo, os elétrons fluem suaves, como a água em um cano.
[Imagem: Hung-Yu Yang et al. - 10.1038/s41467-021-25547-x]

Dispositivos eletrônicos

Ao confirmar as previsões dos teóricos, além de melhorar o entendimento dos supercondutores, o experimento deverá estimular uma maior exploração do material e suas aplicações potenciais - já se sabia que a luz também pode se comportar como um líquido.

O próximo passo será encontrar outros materiais neste regime hidrodinâmico, aproveitando as interações elétron-fônon. A equipe afirmou que também irá se concentrar no controle do fluido hidrodinâmico de elétrons nesses materiais e na engenharia de novos dispositivos eletrônicos tirando proveito dele.

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