Um estudo publicado na Nature Communications revelou que os elétrons no pentatelureto de zircônio (ZrTe5) são basicamente os adolescentes rebeldes do mundo quântico. Quando submetidos a temperaturas próximas do zero absoluto e campos magnéticos poderosos o suficiente para fazer seus ímãs de geladeira chorarem, essas partículas exibiram oscilações quânticas que desafiam as expectativas convencionais.
A pesquisa, liderada por cientistas da Universidade de São Paulo (USP) no Brasil, do Laboratório Nacional de Los Alamos, da Universidade de Washington e de outras instituições dos EUA, combinou experimentos de transporte elétrico em campos magnéticos de até 60 teslas a temperaturas em torno de 0,7 kelvin (-272,45 °C) com cálculos teóricos detalhados. Porque, você sabe, por que não levar a física ao limite enquanto estamos nisso?
"Este trabalho expande nossa compreensão do transporte de elétrons em fases exóticas da matéria e sugere que isolantes topológicos suportam o transporte não apenas de carga elétrica, mas também de outro grau de liberdade fundamental: o spin do elétron", diz Julio Larrea Jiménez, professor do Instituto de Física da USP e cofundador/diretor do Laboratório de Matéria Quântica sob Condições Extremas.
Larrea atuou como orientador de doutorado de Cauê Kaufmann Ribeiro, primeiro autor do estudo, que realizou grande parte do trabalho experimental durante um estágio no Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético em Los Alamos, apoiado pela Bolsa de Estágio de Pesquisa no Exterior da FAPESP, e coorientado por Johanna Palmstrom e Sean Thomas.
Isolantes topológicos são os excêntricos da ciência dos materiais: seus interiores são isolantes elétricos, mas suas superfícies conduzem eletricidade. Isso se deve à topologia de suas bandas eletrônicas, que são protegidas por simetrias cristalinas. ZrTe5 é particularmente especial porque fica perto da fronteira entre diferentes fases topológicas, o que significa que pequenas mudanças na temperatura, deformação mecânica, composição química ou campo magnético podem alterar drasticamente seu comportamento eletrônico. É o equivalente quântico de um artista de humor instável.
Quando os elétrons se movem através de um campo magnético, suas energias são restritas a valores discretos chamados níveis de Landau, nomeados em homenagem a Lev Landau (1908-1968). Em metais puros, esses níveis podem cruzar repetidamente o nível de Fermi, produzindo oscilações na resistência elétrica conhecidas como oscilações de Shubnikov-de Haas, que normalmente seguem um padrão previsível em 1/B (sendo B o campo magnético). Mas ZrTe5 não recebeu esse memorando.
Os pesquisadores descobriram que suas oscilações de magnetorresistência não eram convencionalmente periódicas em 1/B e continuavam muito além do limite quântico, onde os elétrons deveriam estar presos no nível de Landau mais baixo e as oscilações deveriam desaparecer. Em vez disso, as oscilações persistiam, como um mau hábito.
"Em materiais próximos a transições de fase topológicas, os elétrons podem deixar de se comportar como partículas comuns dentro de um metal", explica Kaufmann. "Suas excitações eletrônicas começam a se comportar como quasipartículas semelhantes aos férmions de Dirac - partículas relativísticas. Em nosso trabalho, mostramos que o spin dessas quasipartículas desempenha um papel central: quando aplicamos campos magnéticos fortes, a interação entre o spin e o campo magnético altera profundamente os níveis de energia dos elétrons. Como resultado, níveis de Landau que normalmente se afastariam da energia relevante do sistema podem 'retornar' e cruzá-la novamente. Esse comportamento incomum é o que chamamos de níveis de Landau reentrantes."
Para explicar isso, os pesquisadores propõem um processo chamado "curvatura reversa" dos níveis de Landau, onde alguns níveis se curvam de volta em direção ao nível de Fermi e o cruzam novamente, gerando oscilações extras em um regime onde não deveriam existir. Isso acontece devido à interação entre a energia ciclotrônica (do movimento orbital) e o efeito Zeeman (acoplamento spin-campo magnético), que estão entrelaçados em materiais com forte interação spin-órbita como ZrTe5.
Um dos objetivos do estudo era determinar se as oscilações anômalas eram devidas a efeitos de muitos corpos (coletivos) ou a uma propriedade de partícula única. Os resultados apontam para a explicação de partícula única, mas com um toque: o spin desempenha um papel crucial, algo que não é considerado nos modelos padrão. Isso sugere que, em certas condições, o transporte de spin pode ser tão importante quanto o transporte de carga, abrindo caminho para aplicações em spintrônica e computação quântica.
A pesquisa também destaca a importância da colaboração internacional e de instalações de alto campo magnético, que permitem explorar regimes extremos onde a física convencional se despedaça. Como diz Larrea: "Estamos apenas arranhando a superfície do que esses materiais podem nos ensinar. E eles certamente não vão facilitar as coisas para nós."