Cientistas propuseram uma nova teoria para explicar a condução elétrica em metais devido à complexidade e exceções da teoria atual. Experimentos com metais estranhos evidenciaram comportamento semelhante a líquido, desafiando a explicação por quasipartículas.
No ano passado, cientistas propuseram uma nova teoria para explicar a condutividade elétrica em metais, uma vez que a teoria atual é excessivamente complexa, apresentando muitas exceções para ser considerada convincente.
Embora seja conhecido que os metais possuem condutividade elétrica de forma eficiente, não a fazem de maneira uniforme. Por exemplo, os pesquisadores classificam diversos tipos de metais, como “correlacionados”, “normais”, “estranhos” ou “ruins”, principalmente com base em como sua resistividade — a resistência à passagem da eletricidade — reage a variações de temperatura.
Recentemente, Liyang Chen e colaboradores das universidades Rice (EUA) e Técnica de Viena (Áustria) evidenciaram a necessidade da nova teoria em experimentos envolvendo uma categoria específica de metais conhecidos como “metais estranhos”. Esses metais, também chamados de metais planckianos, adquiriram essa designação devido ao comportamento peculiar de seus elétrons.
Condutividade elétrica dos metais
Ao contrário dos elétrons em metais comuns, que se movem livremente com poucas interações e resistência mínima, os elétrons nos metais estranhos demonstram movimento restrito e lento. Além disso, dissipam energia na taxa máxima permitida pelas leis fundamentais da mecânica quântica, exibindo um nível elevado de comportamento caótico e resistividade elétrica significativa.
O recente experimento revelou que a condução elétrica nos metais estranhos assemelha-se à fluidez de um líquido, contrariando a explicação padrão baseada em pacotes de carga quantizados, conhecidos como quasipartículas, conforme previsto pela mecânica quântica.
O professor Doug Natelson comentou: “Às vezes, você sente que a natureza está transmitindo uma mensagem. Essa ‘metalicidade estranha’ manifesta-se em diversos sistemas físicos, independentemente das diferenças na física microscópica subjacente.
Em sistemas como supercondutores de óxido de cobre, por exemplo, onde a física microscópica é muito distinta do sistema de férmions pesados que estamos investigando, todos eles exibem essa resistividade linear em temperatura característica dos metais estranhos. Isso nos leva a questionar se há um fenômeno genérico ocorrendo, independente dos blocos de construção microscópicos específicos em cada sistema.”
[Imagem: Fazel Tafti/Boston College]
Quasipartículas não oferecem uma explicação adequada
Os experimentos foram conduzidos em fios nanoescalares de um material quântico bem conhecido, composto por uma proporção precisa dos elementos itérbio, ródio e silício (YbRh2Si2).
Este material exibe um alto grau de entrelaçamento quântico, resultando em um comportamento dependente da temperatura distintivo. Quando resfriado abaixo de uma temperatura crítica, o material transita instantaneamente de não magnético para magnético. Em temperaturas ligeiramente acima do limite crítico, o YbRh2Si2 adquire características de um metal de “férmion pesado”, com portadores de carga acreditados serem quasipartículas, centenas de vezes mais pesadas do que elétrons isolados.
Apesar de a teoria das quasipartículas ter sido desenvolvida para representar o efeito coletivo de interações entre inúmeros elétrons em metais, a equipe utilizou a técnica de “ruído de disparo” para questionar sua adequação. Essa técnica avalia a granularidade da carga ao passar por um material.
Segundo Natelson, “A medição do ruído de disparo é essencialmente uma forma de observar quão granular é a carga à medida que ela percorre um caminho. Se estou conduzindo corrente, ela consistirá em um conjunto de portadoras de carga discretas. Elas chegam a uma taxa média, mas às vezes estão mais próximas no tempo, e às vezes estão mais distantes.”
Os resultados revelaram que o ruído de disparo no metal estranho analisado é significativamente menor do que em um nanofio de ouro utilizado como referência, desviando-se das expectativas teóricas para um sistema governado por quasipartículas. Natelson conclui: “O ruído é bastante suprimido em comparação com fios comuns. Talvez isso seja evidência de que as quasipartículas não são entidades bem definidas ou talvez não existam, e a carga se mova de maneiras mais complexas. Precisamos encontrar a terminologia correta para descrever como a carga pode se mover coletivamente.”
(Engenhariae)