Metais estranhos conduzem eletricidade como se ela fosse um líquido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/11/2023

Os dados experimentais não se encaixam nas teorias baseadas nas quasipartículas.
[Imagem: Liyang Chen et al. - 10.1126/science.abq6100]

A estranha condutividade de um metal estranho

No ano passado, físicos apresentaram uma nova teoria sobre como os metais conduzem eletricidade porque a teoria atual é confusa demais, contendo exceções demais para ser convincente.

É sabido que os metais conduzem bem a eletricidade, mas nem todos o fazem da mesma maneira. Por exemplo, os cientistas diferenciam várias classes de metais com nomes como "correlacionados", "normais", "estranhos" ou "ruins", geralmente pelo modo como sua resistividade - a resistência à passagem da eletricidade - responde a variações na temperatura.

Agora, Liyang Chen e colegas das universidades Rice (EUA) e Técnica de Viena (Áustria) demonstraram a necessidade dessa nova teoria em experimentos envolvendo uma dessas classes metálicas, os chamados "metais estranhos".

Os metais estranhos - também chamados de metais planckianos - receberam esse nome devido ao comportamento peculiar dos seus elétrons. Ao contrário dos elétrons nos metais comuns, que viajam livremente, com poucas interações e pouca resistência, os elétrons nos metais estranhos se movem lentamente e de maneira restrita. Eles também dissipam energia na taxa mais rápida possível permitida pelas leis fundamentais da mecânica quântica, têm um alto nível de comportamento caótico e alta resistividade elétrica.

O novo experimento demonstrou agora que a eletricidade flui pelos metais estranhos de modo parecido com um líquido, de um modo que não pode ser explicado em termos de pacotes de carga quantizados, conhecidos como quasipartículas, que é o modo padrão de explicação fornecido pela mecânica quântica.

"Às vezes você sente que a natureza está lhe dizendo algo," disse o professor Doug Natelson. "Essa 'metalicidade estranha' aparece em muitos sistemas físicos diferentes, apesar do fato de que a física microscópica subjacente é muito diferente. Em supercondutores de óxido de cobre, por exemplo, a física microscópica é muito, muito diferente do que no sistema de férmions pesados que estamos estudando. Todos eles parecem ter essa resistividade linear em temperatura que é característica dos metais estranhos, e você deve se perguntar se há algo genérico acontecendo que é independente de quaisquer que sejam os blocos de construção microscópicos dentro deles. "

Já se conhece ao menos um material supercondutor no qual os elétrons fluem como um líquido.
[Imagem: Fazel Tafti/Boston College]

Quasipartículas não explicam

Os experimentos foram realizados em fios em nanoescala de um material quântico bem conhecido, formado por uma proporção precisa dos elementos itérbio, ródio e silício (YbRh₂Si₂).

O material contém um alto grau de entrelaçamento quântico que produz um comportamento dependente da temperatura bem característico - se resfriado abaixo de uma temperatura crítica, por exemplo, o material passa instantaneamente de não magnético para magnético. Em temperaturas ligeiramente acima do limite crítico, o YbRh₂Si₂ é um metal "férmion pesado", com portadoras de carga que se acredita serem quasipartículas centenas de vezes mais pesadas do que os elétrons isoladamente.

Nos metais, cada quasipartícula - ou unidade discreta de carga - é o produto de minúsculas mas incalculáveis interações entre incontáveis elétrons. Uma quasipartícula é um conceito, desenvolvido há quase 70 anos, que os físicos usam para representar o efeito combinado dessas interações como um único objeto quântico - isso foi necessário para que fosse possível realizar os cálculos da mecânica quântica.

Mas já havia suspeitas de que as quasipartículas não se encaixassem nas explicações do comportamento dos metais estranhos. E foi justamente isto o que a equipe demonstrou agora usando uma técnica conhecida como "ruído de disparo".

"A medição do ruído de disparo é basicamente uma forma de ver quão granular é a carga à medida que passa por algo," disse Natelson. "A ideia é que, se eu estiver conduzindo uma corrente, ela consistirá em um grupo de portadoras de carga discretas. Elas chegam a uma taxa média, mas às vezes acontece de elas estarem mais próximas no tempo, e às vezes estarem mais distantes."

Os resultados mostraram que o ruído de disparo é muito menor no metal estranho analisado do que em um nanofio de ouro usado como referência e diferente das expectativas teóricas para um sistema que fosse de fato regido por quasipartículas.

"O ruído é bastante suprimido em comparação com fios comuns," disse Natelson. "Talvez isto seja uma evidência de que as quasipartículas não são coisas bem definidas ou que simplesmente não existem e a carga se move de maneiras mais complicadas. Temos que encontrar o vocabulário certo para falar sobre como a carga pode se mover coletivamente."

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