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Aug 07, 2023

Física

A capacidade de conduzir corrente dos chamados metais estranhos desafia as regras conhecidas da eletricidade. Agora Aavishkar Patel, do Flatiron Institute, Nova York, e seus colegas têm uma explicação para o porquê

A capacidade de conduzir corrente dos chamados metais estranhos desafia as regras conhecidas da eletricidade. Agora Aavishkar Patel do Flatiron Institute, Nova Iorque, e os seus colegas têm uma explicação para o porquê [1]. Eles dizem que o resultado pode ajudar os cientistas a encontrar novos materiais que exibam supercondutividade em alta temperatura, dos quais a estranha metalicidade é um estado precursor.

Se você aquecer uma placa de cobre, sua resistência elétrica – o quanto o material se opõe ao fluxo de uma corrente elétrica – aumentará com o quadrado da temperatura. Mas se você adicionar um pouco de oxigênio, lantânio e bário ao cobre, o comportamento muda repentinamente. O material cuprato resultante não tem resistência elétrica em temperaturas muito baixas, mas à medida que fica mais quente, a resistência aumenta linearmente com a temperatura, tornando-o um condutor pior do que um metal normal como o cobre. Outras propriedades do material também são anormais, incluindo a sua capacidade de absorver calor e transportar uma corrente elétrica oscilante rapidamente. “Mas a mudança na resistividade é a mais impressionante”, diz Patel.

Os cientistas descobriram pela primeira vez estas esquisitices de resistência em 1986, mas têm lutado para explicar a sua origem. No ano passado, experimentos confirmaram uma teoria que explica o comportamento de resistência zero (supercondutividade) em cupratos. Agora os teóricos têm uma explicação para a tendência de resistência linear (metalicidade estranha) observada em cupratos e em outros materiais (ver Ponto de vista: O grafeno revela seu lado estranho).

Para entender por que os metais estranhos são condutores mais pobres do que os metais normais, Patel e seus colegas recorreram aos elétrons dos materiais – os portadores da corrente elétrica. Para que o material tivesse maior resistência em temperaturas mais baixas, a equipe concluiu que os elétrons deveriam se mover mais lentamente. Mas por que?

Uma possível causa que a equipe considerou foi o aumento das colisões entre os elétrons, o que em teoria deveria desacelerar as partículas, levando a um aumento na resistência. O aumento das colisões pode de fato alterar os momentos dos elétrons individuais. Mas a equipa descobriu que esta mudança por si só não afecta a resistência, uma vez que o impulso global – o chamado impulso do centro de massa – permanece inalterado. Alguns elétrons desaceleram, enquanto outros aceleram, então “apenas aumentar as colisões não resolve”, diz Patel.

Outra possibilidade que a equipe considerou foi uma falta de homogeneidade na paisagem energética potencial do material. A equipe mostrou que atravessar um “terreno acidentado” altera o momento do centro de massa dos elétrons, independentemente de eles colidirem ou não. Mas a resistividade dependente da temperatura neste cenário corresponde à observada para metais normais, não para metais estranhos. “Percebemos que algo mais deveria estar acontecendo”, diz Patel.

Essa outra coisa acabou sendo um emaranhado. Modelando os elétrons como estando em um estado altamente emaranhado, a equipe descobriu que, em um terreno acidentado, a força do emaranhamento dos elétrons varia dependendo de onde o emaranhamento ocorreu no material. Essa falta de homogeneidade do emaranhamento adiciona aleatoriedade tanto aos momentos dos elétrons quanto à frequência com que eles colidem (quanto mais forte o emaranhamento local, mais frequentes são as colisões).

Agora, em vez de fluirem todos numa direção através do material, os elétrons se movem em todas as direções. Essa irregularidade induz uma queda no momento do centro de massa muito maior do que aquela encontrada quando os elétrons se movem coletivamente. Também altera a dependência da resistência correspondente com a temperatura, de modo que segue a linear vista nos experimentos. “Esta interação de emaranhamento e não uniformidade é um efeito novo”, diz Patel. “Isso não havia sido considerado antes, apesar de ser uma conexão relativamente simples de fazer.”

“Este trabalho fornece uma perspectiva nova sobre um problema muito importante”, diz Rafael Fernandes, teórico da matéria condensada da Universidade de Minnesota que estuda o comportamento coletivo dos elétrons em sistemas desordenados. “Eles não apenas encontraram esse mecanismo universal para o comportamento de metais estranhos que não depende de nenhum detalhe do material, mas também forneceram um avanço conceitual em como pensar sobre as interações de elétrons em materiais fortemente correlacionados. É lindo."