A corrente elétrica é desviada por um campo magnético - em materiais condutores, isso leva ao chamado efeito Hall. Este efeito é freqüentemente usado para medir campos magnéticos. Uma descoberta surpreendente foi feita agora na TU Wien, em colaboração com cientistas do Instituto Paul Scherrer (Suíça), McMater University (Canadá), e Rice University (EUA):um metal exótico feito de cério, bismuto e paládio foram examinados e um efeito Hall gigante foi encontrado produzido pelo material, na ausência total de qualquer campo magnético. A razão para esse resultado inesperado está nas propriedades incomuns dos elétrons:eles se comportam como se monopolos magnéticos estivessem presentes no material. Essas descobertas já foram publicadas na revista científica PNAS .

Uma tensão perpendicular à corrente

Quando uma corrente elétrica flui através de uma tira de metal, os elétrons se movem de um lado para o outro. Se um ímã for colocado próximo a esta tira, uma força atua sobre os elétrons - a chamada força de Lorentz. O caminho dos elétrons através da faixa de metal não é mais reto, está um pouco dobrado. Portanto, agora há mais elétrons em um lado da tira de metal do que no outro, e isso cria uma tensão - perpendicular à direção em que a corrente flui. Este é o efeito Hall clássico, como é conhecido há muitos anos.

"Medir a força do efeito Hall é uma das maneiras de caracterizarmos os materiais em nosso laboratório, "diz o Prof. Silke Bühler-Paschen do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien." Você pode aprender muito sobre o comportamento dos elétrons no estado sólido com esse experimento. "Quando Sami Dzsaber, que estava trabalhando em sua dissertação no grupo de pesquisa de Bühler-Paschen, examinou o material Ce ₃ Bi ₄ Pd ₃ , ele levou sua tarefa muito a sério e também realizou uma medição sem um campo magnético. "Na realidade, esta é uma ideia incomum, mas neste caso foi a etapa decisiva, "diz Silke Bühler-Paschen.

A medição revelou que o material exibe um efeito Hall mesmo sem um campo magnético externo - e não apenas um efeito Hall normal, mas um enorme. Em materiais normais, um efeito Hall dessa força só pode ser produzido com enormes bobinas eletromagnéticas. "Então, tivemos que responder a outra pergunta, "diz Silke Bühler Paschen." Se ocorrer um efeito Hall sem um campo magnético externo, estamos talvez lidando com campos magnéticos locais extremamente fortes que ocorrem em uma escala microscópica dentro do material, mas não pode mais ser sentido fora? "

Portanto, as investigações foram realizadas no Instituto Paul Scherrer, na Suíça:com a ajuda de múons - partículas elementares que são particularmente adequadas para investigar fenômenos magnéticos - o material foi examinado mais de perto. Mas descobriu-se que nenhum campo magnético poderia ser detectado, mesmo em escala microscópica. "Se não houver campo magnético, então também não há força de Lorentz que pode atuar sobre os elétrons no material - mas mesmo assim um efeito Hall foi medido. Isso é realmente notável, "diz Silke Bühler-Paschen.

Simetria é o que conta

A explicação para esse estranho fenômeno está na complicada interação dos elétrons. "Os átomos deste material são organizados de acordo com simetrias muito específicas, e essas simetrias determinam a chamada relação de dispersão - que é a relação entre a energia dos elétrons e seu momento. A relação de dispersão nos diz o quão rápido um elétron pode se mover quando tem uma certa energia, "diz Bühler-Paschen." Também é importante notar que você não pode olhar para os elétrons individualmente aqui - há fortes interações mecânicas quânticas entre eles. "

Essa interação complexa resulta em fenômenos que matematicamente parecem como se houvesse monopólos magnéticos no material - ou seja, pólos solitários norte e sul, que não existem nesta forma na natureza. "Mas na verdade tem o efeito de um campo magnético muito forte no movimento dos elétrons, "diz Bühler-Paschen.

O efeito já havia sido previsto teoricamente para materiais mais simples, mas ninguém foi capaz de provar isso. O avanço veio com a investigação de uma nova classe de materiais:"Nosso material com a composição química Ce ₃ Bi ₄ Pd ₃ é caracterizado por uma interação particularmente forte entre os elétrons, "explica Bühler-Paschen." Isso é conhecido como efeito Kondo. Isso faz com que esses monopólos magnéticos fictícios tenham exatamente a energia certa para influenciar os elétrons de condução no material de maneira extremamente forte. Esta é a razão pela qual o efeito é mais de mil vezes maior do que o previsto teoricamente. "

O novo efeito Hall espontâneo gigante possui algum potencial para tecnologias quânticas de próxima geração. Nesta área, por exemplo, elementos não recíprocos que produzem espalhamento dependente da direção inteiramente sem um campo magnético externo são importantes; eles poderiam ser realizados com este efeito. "O comportamento extremamente não linear do material também é de grande interesse, "diz Silke Bühler-Paschen." O fato de que fenômenos complexos de muitas partículas em sólidos dão origem a possibilidades de aplicação inesperadas torna este campo de pesquisa particularmente excitante. "