Conheça metais estranhos: onde a eletricidade pode fluir sem elétrons | Revista Quanta

Após um ano de tentativa e erro, Liyang Chen conseguiu reduzir um fio metálico a um fio microscópico com metade da largura de um fio metálico. E.coli bactéria – fina o suficiente para permitir a passagem de um fio de corrente elétrica. As gotas dessa corrente poderiam, esperava Chen, ajudar a resolver um mistério persistente sobre como a carga se move através de uma classe desconcertante de materiais conhecidos como metais estranhos.

Chen, então um estudante de pós-graduação, e seus colaboradores na Rice University mediram a corrente que flui através de seu fio de metal com a espessura de um átomo. E eles descobriram que fluía de maneira suave e uniforme. Tão uniformemente, na verdade, que desafiou a concepção padrão dos físicos sobre eletricidade em metais.

Canonicamente, a corrente elétrica resulta do movimento coletivo de elétrons, cada um carregando um pedaço indivisível de carga elétrica. Mas a estabilidade mortal da corrente de Chen implicava que ela não era feita de unidades. Foi como encontrar um líquido que de alguma forma carecia de moléculas reconhecíveis individualmente.

Embora isso possa parecer estranho, é exatamente o que alguns físicos esperavam do metal que o grupo testou, que junto com seus parentes incomuns tem enganado e confundido os físicos desde a década de 1980. “É um trabalho muito bonito”, disse Subir Sachdev, um físico teórico da Universidade de Harvard especializado em metais estranhos.

A observação, informou na semana passada na revista Ciência, é uma das indicações mais diretas de que tudo o que transporta corrente através desses metais incomuns não se parece em nada com elétrons. A nova experiência reforça as suspeitas de que um novo fenómeno quântico está a surgir em metais estranhos. Ele também fornece novos recursos para os físicos teóricos que tentam entender o que poderia ser. 

“Metais estranhos, ninguém tem a menor ideia de onde eles vêm”, disse Pedro Abbamonte, físico da Universidade de Illinois, Urbana-Champaign. “Costumava ser considerado um inconveniente, mas agora percebemos que é realmente uma fase diferente da matéria que vive nestas coisas.”

Uma chave Cuprate

O primeiro desafio à compreensão convencional dos metais surgiu em 1986, quando Georg Bednorz e Karl Alex Müller abalaram o mundo da física com a descoberta de supercondutores de alta temperatura – materiais que transportam perfeitamente uma corrente eléctrica mesmo a temperaturas relativamente quentes. Metais familiares como estanho e mercúrio tornam-se supercondutores apenas quando resfriados a alguns graus do zero absoluto. Bednorz e Müller mediram a resistência elétrica em um material à base de cobre (“cuprato”) e descobriram que ela desaparecia a uns relativamente amenos 35 Kelvins. (Pela sua descoberta revolucionária, Bednorz e Müller ganharam o Prêmio Nobel apenas um ano depois.)

Os físicos logo perceberam que a supercondutividade em alta temperatura era apenas o começo do misterioso comportamento dos cupratos.

Os cupratos ficaram muito estranhos quando pararam de superconduzir e começaram a resistir. À medida que todos os metais aquecem, a resistência aumenta. Temperaturas mais altas significam que átomos e elétrons balançam mais, criando mais colisões que induzem resistência à medida que os elétrons transportam corrente através de um material. Em metais normais, como o níquel, a resistência aumenta quadraticamente em baixas temperaturas – lentamente no início e depois cada vez mais rápido. Mas nos cupratos, aumentou linearmente: cada grau de aquecimento trouxe o mesmo aumento na resistência – um padrão bizarro que continuou ao longo de centenas de graus e, em termos de estranheza, ofuscou a capacidade supercondutora do material. Os cupratos eram os metais mais estranhos que os pesquisadores já haviam visto.

“A supercondutividade é um rato”, disse Andrei Chubukov, um físico teórico da Universidade de Minnesota. “O elefante… tem um comportamento estranho de metal.”

O aumento linear da resistência ameaçou uma célebre explicação de como a carga elétrica se move através dos metais. Proposta em 1956, a teoria do “líquido Fermi” de Lev Landau colocou os elétrons no centro de tudo. Baseou-se em teorias anteriores que, para simplificar, assumiam que os elétrons transportam corrente elétrica e que os elétrons se movem através de um metal como um gás; eles flutuam livremente entre os átomos sem interagir uns com os outros.

Landau acrescentou uma maneira de lidar com o fato crucial, mas complicado, de que os elétrons interagem. Eles têm carga negativa, o que significa que se repelem constantemente. Considerando que esta interação entre as partículas transformou o gás de elétrons em uma espécie de oceano – agora, à medida que um elétron se movia através do fluido de elétrons, ele perturbava os elétrons próximos. Através de uma complicada série de interações envolvendo repulsão mútua, esses elétrons, agora interagindo suavemente, acabaram viajando em multidões – em aglomerados conhecidos como quasipartículas.

O milagre da teoria líquida de Fermi foi que cada quasipartícula se comportava quase exatamente como se fosse um único elétron fundamental. Uma grande diferença, porém, era que essas bolhas se moviam de forma mais lenta ou mais ágil (dependendo do material) do que um elétron nu, agindo efetivamente como mais pesado ou mais leve. Agora, apenas ajustando os termos de massa nas suas equações, os físicos poderiam continuar a tratar a corrente como o movimento dos electrões, apenas com um asterisco especificando que cada electrão era realmente um aglomerado de quase-partículas.

Um grande triunfo da estrutura de Landau foi que, nos metais normais, ela acertou em cheio a maneira complicada pela qual a resistência aumenta quadraticamente com a temperatura. Quasipartículas semelhantes a elétrons tornaram-se a forma padrão de compreender os metais. “Está em todos os livros didáticos”, disse Sachdev.

Mas nos cupratos, a teoria de Landau falhou dramaticamente. A resistência aumentou em uma linha imaculada, em vez da curva quadrática padrão. Os físicos há muito interpretam esta linha como um sinal de que os cupratos são o lar de um novo fenômeno físico.

“Você tem que acreditar que a natureza está lhe dando uma pista ou a natureza é incrivelmente cruel”, disse Gregory Boebinger, um físico da Florida State University que passou grande parte de sua carreira estudando a resposta linear dos cupratos. “Colocar uma assinatura tão terrivelmente simples e sedutora e não fazer com que ela fosse fisicamente importante seria demais para suportar.”

E os cupratos foram apenas o começo. Desde então, os pesquisadores descobriram um série de materiais díspares com a mesma resistência linear atraente, incluindo “sais de Bechgaard” orgânicos e folhas de grafeno desalinhadas. À medida que estes “metais estranhos” proliferavam, os cientistas questionavam-se porque é que a teoria do fluido Fermi de Landau parecia falhar em todos estes materiais diferentes. Alguns chegaram a suspeitar que isso acontecia porque não existiam quasipartículas; os elétrons estavam de alguma forma se organizando de uma maneira estranha e nova que obscurecia qualquer individualidade, assim como a natureza discreta das uvas se perde em uma garrafa de vinho.

“É uma fase da matéria em que o elétron realmente não tem identidade”, disse Abbamonte. “No entanto, [um metal estranho] é um metal; de alguma forma, carrega corrente.”

Mas não se abolem simplesmente os elétrons. Para alguns cientistas, uma corrente elétrica potencialmente contínua – que não é dividida em elétrons – é radical demais. E alguns experimentos estranhos com metais continuam a corresponder a certas previsões da teoria de Landau. A persistente controvérsia levou o orientador da tese de Chen, Douglas Natelson da Rice University, junto com seu colega Qimiao Si, para considerar como eles poderiam examinar mais diretamente a anatomia da carga que se move através de um metal estranho.

“O que eu poderia medir que realmente me diria o que está acontecendo?” Natelson se perguntou.

A Anatomia da Eletricidade

O objetivo da equipe era dissecar a corrente em um metal estranho. Ele veio em pedaços de carga do tamanho de um elétron? Chegou em pedaços? Para descobrir, inspiraram-se numa forma clássica de medir as flutuações num fluxo – o “ruído de tiro” – um fenómeno que pode ser compreendido se pensarmos nas formas como a chuva pode cair durante uma tempestade.

Imagine que você está sentado em seu carro e sabe, por meio de uma previsão meteorológica confiável, que 5 milímetros de chuva cairão na próxima hora. Esses 5 milímetros são como a corrente elétrica total. Se a chuva for dividida em um punhado de gotas gigantes, a variação no momento em que essas gotas atingem seu telhado será alta; às vezes, as gotas respingam consecutivamente e, outras vezes, ficam espaçadas. Neste caso, o ruído do tiro é alto. Mas se os mesmos 5 milímetros de chuva se espalharem numa névoa constante de pequenas gotas, a variação no tempo de chegada – e, portanto, no ruído do tiro – será baixa. A névoa fornecerá suavemente quase a mesma quantidade de água de momento a momento. Desta forma, o ruído do disparo revela o tamanho das gotas.

“Apenas medir a taxa com que a água aparece não dá uma ideia do quadro completo”, disse Natelson. “Medir as flutuações [nessa taxa] diz muito mais.”

Da mesma forma, ouvir o estalo da corrente elétrica pode informar sobre os pedaços de carga que a compõem. Esses pedaços são normalmente quasipartículas semelhantes a elétrons de Landau. Na verdade, registrar o ruído de disparo em um metal normal é uma forma comum de medir a carga fundamental do elétron – 1.6 × 10^-19 Coulombs.

Para chegar ao cerne da corrente de um metal estranho, a equipe queria medir o ruído do tiro. Mas o ruído do disparo eletrônico pode ser obscurecido se os elétrons forem empurrados por ondulações na rede atômica de um metal. Para evitar essa confusão, os pesquisadores enviam corrente através de fios tão curtos que as ondulações não têm tempo de influenciar os elétrons. Esses fios precisam ter escala nanoscópica.

O grupo escolheu trabalhar com um metal estranho feito de itérbio ródio e silício porque o colaborador de longa data de Natelson e Si Silke Bühler-Paschen da Universidade de Tecnologia de Viena, descobriu como fazer crescer o material em filmes com apenas dezenas de nanômetros de espessura. Isso cuidou de uma dimensão espacial.

Coube então a Chen descobrir como pegar esses filmes e esculpir um fio medindo meros nanômetros de comprimento e largura.

Ao longo de cerca de um ano, Chen testou diferentes maneiras de reduzir o metal, jateando-o com átomos. Mas, tentativa após tentativa, ele descobriu que os nanofios resultantes sofreram danos em escala atômica que destruíram a resistência linear característica do estranho metal. Depois de dezenas de tentativas, ele descobriu um processo que funcionou: ele banhou o metal com cromo, usou uma corrente de gás argônio para explodir tudo, exceto uma linha fina do metal estranho protegido pelo cromo, depois retirou o cromo com um banho. de ácido clorídrico.

No final, Chen, que obteve seu doutorado na primavera e desde então começou a trabalhar em finanças, criou um punhado de nanofios quase perfeitos. Cada um tinha cerca de 600 nanômetros de comprimento por 200 nanômetros de largura – cerca de 50 vezes mais estreito que um glóbulo vermelho.

Depois de resfriá-los a temperaturas gélidas de um dígito Kelvin, os pesquisadores passaram corrente elétrica através dos estranhos nanofios de metal. Eles também passaram corrente através de nanofios feitos de ouro normal. A corrente no fio de ouro estalava da maneira familiar que fazem as correntes feitas de quasipartículas carregadas – como grossas gotas de chuva caindo no teto do carro. Mas no metal estranho, a corrente deslizou silenciosamente através do nanofio, um efeito semelhante ao silvo quase silencioso da névoa. A interpretação mais direta do experimento é que a carga nesse estranho metal não flui em pedaços do tamanho de um elétron.

“Os dados experimentais fornecem fortes evidências de que as quasipartículas estão perdidas no metal estranho”, disse Si.

Nem todos os físicos, contudo, estão totalmente convencidos de que a experiência mata as quasipartículas de Landau. “É uma afirmação muito ousada”, disse Brad Ramshaw, um físico da Universidade Cornell. “Então você precisa de dados ousados.”

Uma limitação do experimento é que o grupo testou apenas um material. Só porque o ruído do disparo é baixo na mistura de itérbio, ródio e silício de Chen, isso não garante que seja baixo em outros metais estranhos. E uma anomalia pontual sempre pode ser atribuída a algum detalhe mal compreendido sobre esse material.

Ramshaw também destacou que os metais soam com todos os tipos de vibrações estranhas isso pode distorcer o ruído do tiro na corrente. Chen e os seus colegas descartaram a interferência das vibrações mais comuns, mas é possível que alguma ondulação exótica tenha escapado à sua atenção.

No entanto, Ramshaw considera a experiência convincente. “É fortemente motivador para as pessoas tentarem fazer outras coisas para ver se também são consistentes com a ausência de elétrons”, disse ele.

Se não forem elétrons, então o que?

Se a imagem das quasipartículas continuar a desmoronar, o que poderá substituí-la? Como a corrente se move em torno de metais estranhos, se não em parcelas de carga semelhantes às dos elétrons? Não é uma situação fácil de descrever e muito menos de colocar em termos matemáticos precisos. “Qual é o vocabulário certo a ser usado”, disse Natelson, “se você não vai falar sobre quasipartículas?”

Quando pressionados, os físicos respondem a esta questão com uma série de metáforas sobre o que aparece quando os elétrons individuais desaparecem: eles se fundem em uma sopa quântica emaranhada; eles se transformam em gelatina; eles formam uma confusão espumosa de carga se espalhando. Filipe Phillips de Urbana-Champaign compara os elétrons de um metal estranho à borracha de um pneu. Quando a borracha sai de uma árvore, suas moléculas se alinham em fios individuais. Mas durante o processo de vulcanização, essas cordas se transformam em uma rede robusta. Uma nova substância emerge da coleção de indivíduos. “Você está obtendo algo que é maior do que a soma de suas partes”, disse ele. “Os próprios elétrons não têm integridade.”

Para ir além das descrições vagas de emergência, os físicos precisam de uma descrição matemática precisa – uma teoria do fluido de Fermi ainda não descoberta para metais estranhos. Sachdev ajudou a desenvolver um candidato simplista, o modelo SYK, no início da década de 1990. Acertou a resistência linear, mas não teve nada a ver com materiais reais feitos de uma grade real de átomos. Por um lado, não tinha espaço; todos os elétrons ficam em um único ponto onde interagem aleatoriamente e ficam emaranhados com todos os outros elétrons.

Nos últimos anos, Sachdev, Aavishkar Patel do Instituto Flatiron, e seus colaboradores têm trabalhado trazendo espaço para o modelo SYK. Eles espalharam as interações eletrônicas pelo espaço considerando os efeitos de falhas na rede atômica – pontos onde átomos desapareceram ou apareceram átomos extras. Essa camada de imperfeições atômicas causa variações aleatórias na maneira como os pares de elétrons interagem e ficam emaranhados. A tapeçaria resultante de elétrons emaranhados tem uma resistência crescente linearmente – a marca registrada de um metal estranho. Recentemente, eles usaram sua estrutura para calcular o ruído do tiro também. Os números não correspondem exatamente às observações de Chen, mas formam o mesmo padrão qualitativo. “Todas as tendências estão certas”, disse Sachdev.

Outros pesquisadores enfatizam que a situação teórica permanece fluida - não está claro para alguns se materiais tão distintos uns dos outros como folhas de grafeno e supercondutores de cuprato poderiam todos compartilhar uma lista de falhas semelhante o suficiente para produzir as propriedades compartilhadas de metais estranhos no maneira exigida pela teoria de Sachdev e Patel. E teorias alternativas são abundantes. Phillips, por exemplo, suspeita que metais estranhos exigem uma forma emergente de eletromagnetismo que não depende de elétrons inteiros. Enquanto isso, Si e Bühler-Paschen passaram quase 20 anos desenvolvendo e explorando a teoria para saber como as quasipartículas se dissolvem quando um sistema fica em um “ponto crítico quântico”, onde dois estados diferentes da mecânica quântica lutam pela vantagem. No experimento do ruído de disparo, eles levaram seus nanofios a um ponto crítico.

Embora os físicos ainda não cheguem a acordo sobre a razão pela qual as cargas eléctricas parecem dissolver-se dentro de metais estranhos, ou mesmo se realmente se dissolvem, estão determinados a descobrir.

“Se realmente achamos que existe toda uma categoria de metais que não entendemos”, disse Natelson, “é importante entendê-los”.

Nota do editor: O Flatiron Institute é financiado pela Simons Foundation, que também financia esta revista editorialmente independente. Nem o Flatiron Institute nem a Simons Foundation têm qualquer influência sobre a nossa cobertura. Mais informações disponíveis SUA PARTICIPAÇÃO FAZ A DIFERENÇA.

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