Em uma descoberta surpreendente, Os físicos de Princeton observaram um comportamento quântico inesperado em um isolante feito de um material chamado ditelureto de tungstênio. Este fenômeno, conhecido como oscilação quântica, é normalmente observada em metais, em vez de isoladores, e sua descoberta oferece novos insights sobre nossa compreensão do mundo quântico. As descobertas também sugerem a existência de um tipo inteiramente novo de partícula quântica.

A descoberta desafia uma distinção de longa data entre metais e isoladores, porque na teoria quântica dos materiais estabelecida, isoladores não foram pensados ​​para serem capazes de experimentar oscilações quânticas.

"Se nossas interpretações estiverem corretas, estamos vendo uma forma fundamentalmente nova de matéria quântica, "disse Sanfeng Wu, professor assistente de física na Universidade de Princeton e autor sênior de um artigo recente em Natureza detalhando esta nova descoberta. "Agora estamos imaginando um mundo quântico totalmente novo escondido em isoladores. É possível que simplesmente não os tenhamos identificado nas últimas décadas."

A observação de oscilações quânticas há muito tempo é considerada uma marca da diferença entre metais e isoladores. Em metais, elétrons são altamente móveis, e a resistividade - a resistência à condução elétrica - é fraca. Quase um século atrás, pesquisadores observaram que um campo magnético, juntamente com temperaturas muito baixas, pode fazer com que os elétrons mudem de um estado "clássico" para um estado quântico, causando oscilações na resistividade do metal. Em isoladores, por contraste, elétrons não podem se mover e os materiais têm resistividade muito alta, portanto, não se espera que as oscilações quânticas deste tipo ocorram, não importa a força do campo magnético aplicado.

A descoberta foi feita quando os pesquisadores estudavam um material chamado ditelureto de tungstênio, que eles transformaram em um material bidimensional. Eles prepararam o material usando fita adesiva padrão para esfoliar cada vez mais, ou "barbear, "as camadas até o que é chamado de monocamada - uma única camada de átomo fino. O ditelureto de tungstênio espesso se comporta como um metal. Mas, uma vez que é convertido em uma monocamada, torna-se um isolante muito forte.

"Este material tem muitas propriedades quânticas especiais, "Wu disse.

Os pesquisadores então começaram a medir a resistividade do ditelureto de tungstênio monocamada sob campos magnéticos. Para sua surpresa, a resistividade do isolador, apesar de ser bastante grande, começou a oscilar conforme o campo magnético foi aumentado, indicando a mudança para um estado quântico. Com efeito, o material - um isolante muito forte - exibia a propriedade quântica mais notável de um metal.

"Isso foi uma surpresa completa, "Disse Wu." Nós nos perguntamos, 'O que está acontecendo aqui?' Não entendemos totalmente ainda. "

Wu observou que não existem teorias atuais para explicar esse fenômeno.

Apesar disso, Wu e seus colegas apresentaram uma hipótese provocativa - uma forma de matéria quântica com carga neutra. "Por causa de interações muito fortes, os elétrons estão se organizando para produzir este novo tipo de matéria quântica, "Wu disse.

Mas, em última análise, não são mais os elétrons que estão oscilando, disse Wu. Em vez de, os pesquisadores acreditam que novas partículas, que eles apelidaram de "férmions neutros, "nascem desses elétrons em forte interação e são responsáveis ​​por criar esse efeito quântico altamente notável.

Os férmions são uma categoria de partículas quânticas que incluem elétrons. Em materiais quânticos, Férmions carregados podem ser elétrons carregados negativamente ou "buracos" carregados positivamente que são responsáveis ​​pela condução elétrica. Nomeadamente, se o material for um isolante elétrico, esses férmions carregados não podem se mover livremente. Contudo, partículas que são neutras, isto é, nem negativamente nem positivamente carregados - são teoricamente possíveis estar presentes e móveis em um isolador.

"Nossos resultados experimentais conflitam com todas as teorias existentes baseadas em férmions carregados, "disse Pengjie Wang, co-primeiro autor no artigo e associado de pesquisa de pós-doutorado, "mas pode ser explicado na presença de férmions de carga neutra."

A equipe de Princeton planeja uma investigação mais aprofundada sobre as propriedades quânticas do ditelureto de tungstênio. Eles estão particularmente interessados ​​em descobrir se sua hipótese - sobre a existência de uma nova partícula quântica - é válida.

"Este é apenas o ponto de partida, "Disse Wu." Se estivermos certos, futuros pesquisadores encontrarão outros isolantes com esta propriedade quântica surpreendente. "

Apesar da novidade da pesquisa e da interpretação provisória dos resultados, Wu especulou sobre como esse fenômeno poderia ser colocado em uso prático.

"É possível que férmions neutros possam ser usados ​​no futuro para codificar informações que seriam úteis na computação quântica, "ele disse." Enquanto isso, no entanto, ainda estamos nos estágios iniciais de compreensão de fenômenos quânticos como este, portanto, descobertas fundamentais devem ser feitas. "