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Novas descobertas sobre condutividade fora do comum

Material é condutor e isolante promete aplicações industriais e científicas

Eugenie Samuel Reich e Revista Nature
© charobnica/shutterstock
Novas descobertas de três equipes podem resolver um mistério de 40 anos em relação ao estranho comportamento elétrico do hexaboreto de samário, que pode ser um isolante topológico em sua forma volumosa. 

Um composto com um comportamento elétrico que confunde físicos há décadas pode acabar sendo uma benção para a física quântica e para produtores de dispositivos eletrônicos.

Em 2005, quando teóricos propuseram que deveria ser possível encontrar materiais que conduzem eletricidade na superfície enquanto o resto da amostra se comporta como isolante, físicos ficaram intrigados. Queriam estudar os efeitos quânticos que deveriam emergir em materiais assim, e explorar aplicações em eletrônica de baixa energia e computação quântica.

Isolantes topológicos, como são chamados, se provaram incrivelmente difíceis de produzir. Alguns pesquisadores trabalharam como escravos para produzir finos filmes usando técnicas complexas que provavelmente nunca chegarão aos níveis necessários para propósitos industriais. Outros se contentaram com compostos que se aproximam de isolantes topológicos, mas que ainda têm um nível de condutividade interna.

Agora três artigos sugerem que o hexaboreto de samário (SmB6), um composto pouco compreendido cuja condutividade a baixas temperaturas foi descoberta por pesquisadores do Bell Labs em 1969, pode ser um isolante topológico em sua forma volumosa.

No artigo mais recente sobre o assunto, publicado online em 28 de novembro, pesquisadores da University of California, Irvine, relataram observar elétrons se movendo a velocidades impressionantemente altas na superfície de cristais de  SmB6, o que eles tomam como um sinal de um esplêndido condutor de superfície.

Cinco dias antes disso, pesquisadores da University of Maryland em College Park relataram medidas acompanhando o caminho de elétrons injetados em amostras de SmB6 que estavam sendo resfriadas.

Esses resultados sugerem que o material é isolante em seu interior em temperaturas abaixo de aproximadamente 30 Kelvin.

Em um artigo publicado em 21 de novembro, cientistas da University of Michigan em Ann Arbor, e da University of California, Irvine, descrevem suas medidas de condutividade na superfície e através do volume do material, e encontram evidências de que o comportamento condutor da superfície persiste apesar de imperfeições e impurezas, como seria esperado de um verdadeiro isolante topológico.

Um aumento no interesse por isolantes topológicos nos últimos anos levou a uma previsão em 2010 de que o SmB6 seria um desses materiais. “Eu diria que fomos provisoriamente recompensados”, declara Piers Coleman da Rutgers University em Piscataway, Nova Jersey, um dos quatro físicos teóricos que fizeram a previsão. “Estamos emocionados com esses novos resultados”.

Características legais

A previsão surgiu, em parte, de estudos de materiais conhecidos como isolantes Kondo que, ao contrário de isolantes comuns, retêm parte da pequena condutividade quando são resfriados a poucos graus acima do zero absoluto. O SmB6, que é frequentemente categorizado como isolante Kondo, se encaixa nessa descrição.

Coleman e outros teóricos perceberam que o comportamento do material faria sentido se ele fosse um isolante topológico. Isso significaria que as propriedades quânticas do material seriam tais que os elétrons não podem fluir livremente, como fariam em um condutor comum, exceto na superfície do material. Se isso se provar correto, Coleman acredita que ideias obtidas a partir do SmB6 e de outros isolantes Kondo poderiam ser extrapoladas para todos os isolantes topológicos.

O SmB6 é um isolante topológico incomum porque os elétrons nas camadas externas dos átomos de samário interagem fortemente uns com os outros, e assim emerge um movimento coordenado.

Isso poderia tornar o material útil para criar alguns efeitos quânticos exóticos, incluindo monopolos magnéticos, ou férmions de Majorana – quasipartículas que podem ser úteis para a computação quântica, explica Shoucheng Zhang, que fez trabalhos pioneiros em isolantes topológicos na Stanford University, na California. Zhang adiciona que o grande interesse pelo SmB6 é parte de uma tendência de estudar materiais com elétrons que interagem fortemente uns com os outros. “Agora estamos observando vários sistemas. É um desenvolvimento muito empolgante”, declara ele.

Peter Armitage, que trabalha com o comportamento de isolantes topológicos em compostos baseados em bismuto na Johns Hopkins University em Baltimore, Maryland, observa que no campo da física de matéria condensada, os experimentos é que normalmente levam a teorias, mas esse é um impressionante exemplo do caso oposto. Agora ele espera começar experimentos com o SmB6 dentro de uma ou duas semanas para confirmar e estudar os estados de superfície. “Esses são efeitos lindos que estavam se escondendo bem debaixo de nossos narizes”, brinca ele. “Esse é um avanço muito grande”.

 

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 11 de dezembro de 2012. 
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