Os cientistas entendem muito bem como a temperatura afeta a condutância elétrica na maioria dos metais comuns, como cobre ou prata. Mas nos últimos anos, os pesquisadores voltaram sua atenção para uma classe de materiais que parecem não seguir as regras elétricas tradicionais. Compreender esses chamados “metais estranhos” pode fornecer informações fundamentais sobre o mundo quântico e potencialmente ajudar os cientistas a entender fenômenos estranhos, como a supercondutividade de alta temperatura.
Agora, uma equipe de pesquisa co-liderada por um físico da Brown University adicionou uma nova descoberta à estranha mistura de metais. Em uma pesquisa publicada na revista Nature, a equipe encontrou um estranho comportamento metálico em um material no qual a carga elétrica é transportada não por elétrons, mas por entidades mais “semelhantes a ondas” chamadas pares de Cooper.
Enquanto os elétrons pertencem a uma classe de partículas chamadas férmions, os pares de Cooper atuam como bósons, que seguem regras muito diferentes dos férmions. Esta é a primeira vez que um comportamento estranho de metal é visto em um sistema bosônico, e os pesquisadores esperam que a descoberta possa ser útil para encontrar uma explicação de como os metais estranhos funcionam – algo que iludiu os cientistas por décadas.
“Temos esses dois tipos fundamentalmente diferentes de partículas cujos comportamentos convergem em torno de um mistério”, disse Jim Valles, professor de física em Brown e autor correspondente do estudo. “O que isso diz é que qualquer teoria para explicar o comportamento estranho do metal não pode ser específica para nenhum tipo de partícula. Ela precisa ser mais fundamental do que isso.”
Metais estranhos
O comportamento estranho do metal foi descoberto há cerca de 30 anos em uma classe de materiais chamados cupratos. Esses materiais de óxido de cobre são mais famosos por serem supercondutores de alta temperatura, o que significa que conduzem eletricidade com resistência zero em temperaturas muito acima das supercondutores normais. Mas mesmo em temperaturas acima da temperatura crítica para a supercondutividade, os cupratos agem de forma estranha em comparação com outros metais.
À medida que sua temperatura aumenta, a resistência dos cupratos aumenta de maneira estritamente linear. Em metais normais, a resistência aumenta apenas até certo ponto, tornando-se constante em altas temperaturas de acordo com o que é conhecido como teoria do líquido de Fermi. A resistência surge quando os elétrons que fluem em um metal batem na estrutura atômica vibrante do metal, fazendo com que eles se espalhem. A teoria do Fermi-líquido estabelece uma taxa máxima na qual o espalhamento de elétrons pode ocorrer. Mas metais estranhos não seguem as regras do Fermi-líquido, e ninguém sabe ao certo como eles funcionam. O que os cientistas sabem é que a relação temperatura-resistência em metais estranhos parece estar relacionada a duas constantes fundamentais da natureza: a constante de Boltzmann, que representa a energia produzida pelo movimento térmico aleatório, e a constante de Planck, que se relaciona com a energia de um fóton. (uma partícula de luz).
“Para tentar entender o que está acontecendo nesses metais estranhos, as pessoas aplicaram abordagens matemáticas semelhantes às usadas para entender os buracos negros”, disse Valles. “Então, há uma física muito fundamental acontecendo nesses materiais.”
De bósons e férmions
Nos últimos anos, Valles e seus colegas vêm estudando a atividade elétrica na qual os portadores de carga não são elétrons. Em 1952, o Prêmio Nobel Leon Cooper, agora professor emérito de física de Brown, descobriu que em supercondutores normais (não o tipo de alta temperatura descoberto mais tarde), os elétrons se unem para formar pares de Cooper, que podem deslizar através de uma rede atômica sem resistência. . Apesar de serem formados por dois elétrons, que são férmions, os pares de Cooper podem atuar como bósons.
“Os sistemas de férmions e bósons geralmente se comportam de maneira muito diferente”, disse Valles. “Ao contrário dos férmions individuais, os bósons podem compartilhar o mesmo estado quântico, o que significa que eles podem se mover coletivamente como moléculas de água nas ondulações de uma onda”.
Em 2019, Valles e seus colegas mostraram que os bósons de pares de Cooper podem produzir comportamento metálico, o que significa que podem conduzir eletricidade com alguma resistência. Isso por si só foi uma descoberta surpreendente, dizem os pesquisadores, porque elementos da teoria quântica sugeriram que o fenômeno não deveria ser possível. Para esta última pesquisa, a equipe queria ver se os metais bosônicos do par Cooper também eram metais estranhos.
A equipe usou um material de cuprato chamado óxido de cobre de ítrio e bário com pequenos orifícios que induzem o estado metálico do par de Cooper. A equipe resfriou o material até um pouco acima de sua temperatura supercondutora para observar mudanças em sua condutância. Eles descobriram, como metais estranhos fermiônicos, uma condutância de metal de par de Cooper que é linear com a temperatura.
Os pesquisadores dizem que esta nova descoberta dará aos teóricos algo novo para mastigar enquanto tentam entender o comportamento estranho do metal.
“Tem sido um desafio para os teóricos encontrar uma explicação para o que vemos em metais estranhos”, disse Valles. “Nosso trabalho mostra que, se você for modelar o transporte de carga em metais estranhos, esse modelo deve se aplicar a férmions e bósons – mesmo que esses tipos de partículas sigam regras fundamentalmente diferentes”.
Em última análise, uma teoria de metais estranhos pode ter implicações enormes. O comportamento estranho do metal pode ser a chave para entender a supercondutividade de alta temperatura, que tem um vasto potencial para coisas como redes elétricas sem perdas e computadores quânticos. E como o comportamento estranho do metal parece estar relacionado a constantes fundamentais do universo, entender seu comportamento pode esclarecer verdades básicas de como o mundo físico funciona.
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