Novo experimento sugere possibilidade de partículas fundamentais ainda desconhecidas

Uma equipe liderada por físicos de Princeton descobriu um fenômeno quântico surpreendente em um isolador atomicamente fino feito de ditelureto de tungstênio. Os resultados sugerem a formação de tipos completamente novos de fases quânticos, anteriormente escondidos em isoladores. Créditos: Kai Fu para o Wu Lab, Princeton University

Um experimento revelou um inesperado comportamento quântico em um material isolante, e pode indicar a existência de uma nova classe de partículas ainda desconhecida.

O fenômeno quântico em questão é conhecido como oscilação quântica, e foi observado em um corpo isolador feito de um material chamado de ditelureto de tungstênio. A teoria quântica atualmente aceita diz que materiais isoladores não poderiam apresentar nenhuma forma de comportamento quântico. Em geral, essa oscilação pode ser observada em metais. A descoberta foi apresentada na revista Nature.

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“Se nossas interpretações estiverem corretas, estamos vendo uma forma fundamentalmente nova de matéria quântica”, diz Sanfeng Wu, professor assistente de física na Universidade Princeton e autor sênior do artigo publicado na Nature. “Estamos agora ponderando que pode existir um mundo quântico inteiramente novo, escondido nos isoladores. É possível que tenhamos deixado de notar isso durante as últimas décadas.”

Durante muito tempo, a possibilidade de observar oscilações quânticas foi considerada como uma característica que distinguia metais e isoladores. Nos metais, os elétrons apresentam elevada mobilidade, e a resistividade do material — isto é, a resistência à corrente elétrica — é fraca. Quase um século atrás, os pesquisadores observaram que a combinação de baixas temperaturas com um campo magnético pode fazer com que os elétrons passem de um estado “clássico” para um estado quântico, causando oscilações na resistividade do metal. Já nos corpos capazes de agir como isoladores os elétrons não conseguem se deslocar, pois os materiais de que são feitos possuem uma resistividade muito alta. As experiências sugeriam que não era possível ocorrer oscilações quânticas neles, não importando a intensidade de campo magnético que os cientistas aplicassem.

A descoberta foi feita quando os pesquisadores estudavam um material chamado de telureto de tungstênio, que eles manipularam de modo a formar um corpo bidimensional. O material foi preparado utilizando-se uma fita adesiva padrão de forma a conseguir raspar cada vez mais o objeto, buscando moldar o que é chamado de monocamada, que nada mais é do que uma camada única e muito fina, feita de átomos. Os pesquisadores constataram que quando o dielureto de tungstênio é manipulado para um formato um pouco mais espesso, ele se comporta como um metal. Mas, assim que é reduzido a uma monocamada, ele apresenta uma poderosa capacidade de agir como isolante.

“Esse material possui muitas propriedades quânticas especiais”, disse Wu.

Os pesquisadores então começaram a medir a resistividade da monocamada de ditelureto de tungstênio sob campos magnéticos. E se surpreenderam ao constatar que a resistividade do isolador, apesar de muito grande, começou a oscilar quando o campo magnético aumentava, indicando a mudança para o estado quântico. Ou seja: o material, um isolador muito poderoso, passou a exibir a propriedade quântica mais característica de um metal. Atualmente não existem teorias para explicar esse fenômeno.

Wu e seus colegas apresentaram uma hipótese provocativa. Eles sugerem que o experimento fez com que os elétrons se organizassem, e dessas interações estariam surgindo novas partículas, que nomearam como “férmions neutros”, por não possuírem carga elétrica. Seriam essas partículas as responsáveis por criar esse efeito quântico altamente notável.

Férmion é o nome dado a uma categoria de partículas quânticas na qual estão incluídos os elétrons. Nos materiais com propriedades quânticas, os férmions podem ser tanto elétrons, dotados de carga negativa, ou “buracos” dotados de carga positiva responsáveis pela condução da corrente elétrica. Isto é, quando o material é um isolador elétrico, esses férmions carregados não conseguem se mover livremente. Entretanto, partículas que sejam neutras — isto é, não possuidoras de carga positiva ou negativa — poderiam teoricamente existir em um isolador e se deslocar através dele.

“Nossos resultados experimentais conflitam com todas as teorias atuais que se baseiam na existência de férmions dotados de carga, mas poderiam ser explicados pela presença de férmions sem carga”, diz Pengjie Wang, primeiro autor na pesquisa e pesquisador associado de pós-doutorado.

A equipe de Princeton planeja novas investigações sobre as propriedades quânticas do ditelureto de Tungstênio. Eles estão interessados especialmente em determinar se a hipotética existência de uma nova partícula é válida. “Esse é só o começo”, disse Wu. “Se estivermos corretos, no futuro outros pesquisadores encontrarão outros isoladores que apresentem essa propriedade quântica surpreendente.”

Publicado em 13/01/2021