Controlar como os elétrons passam através de um material é de importância central para construir novos dispositivos eletrônicos. Como o movimento eletrônico é afetado por campos magnéticos é um problema antigo que não foi totalmente resolvido, ainda assim, já levou a vários prêmios Nobel de física. Agora, pesquisadores do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo resolveram um dos problemas mais antigos da área, nomeadamente, como uma certa simetria pode ser restaurada. Seus resultados acabaram de ser publicados em Cartas de revisão física .

Os elétrons que se movem em um campo magnético forte executam um movimento circular devido à força de Lorentz na qual a indução eletromagnética e o motor elétrico são baseados. Na planície quântica de materiais bidimensionais atomicamente finos, isso leva a efeitos quânticos estranhos, como o inteiro e os efeitos Hall quantizados fracionários, que afirmam que o número de cargas defletidas por Lorentz não são arbitrárias, mas aumentam em etapas discretas (quantizadas).

Apesar de muito progresso no campo, a descrição fundamental de como os elétrons se comportam em campos magnéticos permaneceu um tanto incompleta. "Há um problema profundo aqui. Digamos que eu tenha uma bobina magnética gigante e gere um campo que é o mesmo em todos os lugares do espaço. Os elétrons em minha folha quântica devem sentir a mesma força em todos os lugares, "diz Vasil Rokaj, Ph.D. aluno do Departamento de Teoria do MPSD e autor principal do estudo. "Mas os livros-texto padrão que tratam do campo magnético classicamente falham em levar em conta esse requisito físico, " ele adiciona.

Com uma equipe de pesquisadores liderada pelo Diretor de Teoria do MPSD, Angel Rubio, e pelos líderes do grupo Michael Ruggenthaler e Michael Sentef, Rokaj e o co-autor Markus Penz decidiram derivar novas equações que resolveriam essa lacuna. "Não sabíamos originalmente o que esperar, "acrescenta Ruggenthaler." Na verdade, estávamos interessados ​​em um problema diferente, nomeadamente, como um campo quantizado em vez de clássico em uma cavidade chamada afeta o movimento eletrônico. "

Para alcançar isto, Rokaj teve que usar o formalismo da eletrodinâmica quântica, que foi desenvolvido pela primeira vez nas décadas de 1930 e 1940 para descrever como os elétrons e os fótons interagem. Quando Rokaj escreveu as equações para os elétrons no sólido, a equipe percebeu que algo interessante aconteceu. "O campo magnético em uma bobina é composto de fótons, então, em princípio, devemos ser capazes de descrever também o antigo problema com nossa nova abordagem, "diz Ruggenthaler." Surpreendentemente, a incerteza quântica (ou flutuações) do campo, que geralmente não é levado em consideração, ajuda a restaurar a simetria fundamental - que tudo deve ser o mesmo, não importa para onde olharmos no espaço. "

Angel Rubio acrescenta, "Esses esforços provam que estamos no caminho certo ao lidar com o problema de uma forma totalmente quântica." Em seu Departamento de Teoria, muitos pesquisadores trabalham no problema em grande escala de como os fótons mudam as propriedades da matéria - de novas reações químicas a materiais que podem ajudar a construir futuros computadores quânticos. “Este trabalho prova que vale sempre a pena dar uma nova olhada em velhos problemas, e para começar com os princípios básicos, "diz Rubio." Tenho a certeza de que mais surpresas estão à espera de serem descobertas. "