p O efeito Hall quântico (QHE), que era conhecido anteriormente por sistemas bidimensionais (2-D), foi previsto como possível para sistemas tridimensionais (3-D) por Bertrand Halperin em 1987, mas a teoria não foi comprovada até recentemente por pesquisadores da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura (SUTD) e seus colaboradores de pesquisa de todo o mundo. p O efeito Hall, uma técnica fundamental para caracterização de materiais, ocorre quando um campo magnético desvia o fluxo de elétrons para os lados e leva a uma queda de tensão na direção transversal. Em 1980, pesquisadores fizeram uma observação surpreendente ao medir o efeito Hall para um gás de elétron bidimensional (2-D) preso em uma estrutura semicondutora - a resistividade Hall medida mostrou uma série de planaltos completamente planos, quantificado em valores com uma precisão notável de uma parte em 10 bilhões. Isso ficou conhecido como QHE.

p QHE desde então revolucionou a compreensão fundamental da física da matéria condensada, gerando um vasto campo de pesquisa em física. Muitos novos tópicos emergentes, como materiais topológicos, também pode ser rastreado até ele.

p Logo após sua descoberta, pesquisadores buscaram a possibilidade de generalizar QHE de sistemas 2-D para três dimensões (3-D). Bertrand Halperin previu que tal efeito generalizado, chamado QHE 3-D, é de fato possível em um artigo seminal publicado em 1987. Da análise teórica, ele deu assinaturas para QHE 3-D e apontou que as interações aprimoradas entre os elétrons sob um campo magnético podem ser a chave para conduzir um material metálico ao estado QHE 3-D.

p 30 anos se passaram desde a previsão de Halperin, e embora tenha havido esforços contínuos para realizar QHE 3-D no experimento, evidências claras têm sido evasivas devido às condições rigorosas exigidas para QHE 3-D - o material precisa ser muito puro, tem alta mobilidade, e baixa densidade de portadores.

p Colaborador experimental do SUTD, a Southern University of Science and Technology (SUSTech) na China, tem trabalhado em um material exclusivo conhecido como ZrTe ₅ desde 2014. Este material é capaz de satisfazer as condições exigidas e exibir as assinaturas de 3-D QHE.

p No artigo de pesquisa publicado em Natureza , os pesquisadores mostram que quando o material é resfriado a uma temperatura muito baixa enquanto está sob um campo magnético moderado, sua resistividade longitudinal cai para zero, indicando que o material se transforma de um metal em um isolante. Isso se deve às interações eletrônicas em que os elétrons se redistribuem e formam uma onda de densidade periódica ao longo da direção do campo magnético (conforme ilustrado na imagem), chamada de onda de densidade de carga.

p "Essa mudança normalmente congelaria o movimento do elétron e o material se tornaria isolante, não permitindo que o elétron flua através do interior do material. Contudo, usando este material único, os elétrons podem se mover através das superfícies, dando uma resistividade Hall quantizada pelo comprimento de onda da onda de densidade de carga, "explicou o co-autor, Professor Zhang Liyuan, da SUSTech. Isso, por sua vez, prova a primeira demonstração da longa especulação de QHE 3-D, empurrando o célebre QHE de 2-D para 3-D.

p "Podemos esperar que a descoberta do 3-D QHE levará a novos avanços em nosso conhecimento da física e fornecerá uma cornucópia de novos efeitos físicos. Este novo conhecimento, de uma forma ou de outra, também nos fornecerá novas oportunidades para o desenvolvimento tecnológico prático, "disse o co-autor, Professor Assistente Yang Shengyuan do SUTD.