Elétrons em metais tentam se comportar como motoristas obedientes, mas eles acabam mais como carros de choque. Eles podem ser motoristas imprudentes, mas um novo estudo conduzido por Cornell confirma que esse caos tem um limite estabelecido pelas leis da mecânica quântica.

O papel da equipe, "T-Linear Resistivity from an Isotropic Planckian Scattering Rate, "escrito em colaboração com pesquisadores liderados por Louis Taillefer da University of Sherbrooke, no Canadá, publicado em 28 de julho em Natureza . O autor principal do artigo é Gael Grissonnanche, um pós-doutorado com o Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science.

Os metais carregam corrente elétrica quando os elétrons se movem juntos em conjunto. Na maioria dos metais, como cobre e ouro usados ​​para fiação elétrica, os elétrons tentam evitar um ao outro e fluem em uníssono. Contudo, no caso de certos metais "estranhos", essa harmonia é quebrada e os elétrons dissipam energia refletindo uns nos outros na taxa mais rápida possível. As leis da mecânica quântica desempenham essencialmente o papel de um guarda de trânsito de elétrons, ditar um limite superior sobre a frequência com que essas colisões podem ocorrer. Os cientistas observaram anteriormente esse limite na taxa de colisão, também conhecido como o "limite de Planckian, "mas não existe uma teoria concreta que explique porque o limite deveria existir, nem se sabia como os elétrons atingem esse limite em metais estranhos. Portanto, Ramshaw e seus colaboradores decidiram medi-lo com cuidado.

"Empiricamente, sabemos que os elétrons só podem bater uns nos outros com muita rapidez. Mas não temos ideia do porquê, "disse Brad Ramshaw, o professor assistente Dick &Dale Reis Johnson na Faculdade de Artes e Ciências, e o autor sênior do artigo. "Antes, o 'limite de Planckiano' foi apenas inferido de dados usando modelos muito simples. Fizemos uma medição e um cálculo muito cuidadosos e mostramos que realmente é obedecido nos mínimos detalhes. E descobrimos que é isotrópico, então é o mesmo para elétrons viajando em qualquer direção. E isso foi uma grande surpresa. "

Os pesquisadores concentraram seu estudo em um supercondutor de alta temperatura à base de óxido de cobre conhecido como cuprato. Trabalhando com colaboradores do Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético em Tallahassee, Flórida, eles introduziram uma amostra de metal cuprate em um ímã híbrido de 45 tesla - que detém o recorde mundial de criação do mais alto campo magnético contínuo - e registraram a mudança na resistência elétrica da amostra enquanto mudava o ângulo do campo magnético. A equipe de Ramshaw passou então a maior parte de dois anos criando um software de análise de dados numéricos para extrair as informações pertinentes.

Surpreendentemente, eles foram capazes de analisar seus dados com as mesmas equações relativamente simples usadas para metais convencionais, e descobriram que os elétrons do metal cuprate obedeciam ao limite de Planck.

"Essa abordagem que usamos era considerada muito ingênua, "Grissonnanche disse." Para cientistas da área, não é óbvio a priori que isso deva funcionar, mas é verdade. Então, com esta nova descoberta, matamos dois coelhos com uma cajadada:ampliamos a validade dessa abordagem simples para metais estranhos e medimos com precisão o limite de Planck. Estamos finalmente desvendando o enigma por trás dos movimentos intensos dos elétrons em metais estranhos. "

"Não parece depender dos detalhes do material em particular, "Taillefer disse." Então tem que ser algo que é quase como um princípio fundamental, insensível aos detalhes. "

Ramshaw acredita que outros pesquisadores podem agora usar essa estrutura de cálculo para analisar uma ampla classe de problemas e fenômenos experimentais. Afinal, se funciona em metais estranhos, deve funcionar em muitas outras áreas.

E talvez esses metais estranhos sejam um pouco mais ordenados do que se pensava.

"Você tem esses ingredientes microscópicos extremamente complicados e mecânica quântica e, então, do outro lado, você tem uma lei muito simples, que é a taxa de espalhamento depende apenas da temperatura e nada mais, com uma inclinação igual às constantes fundamentais da natureza que conhecemos, "disse ele." E o surgimento de algo simples a partir de ingredientes tão complicados é realmente bonito e atraente. "

Essas descobertas também podem permitir uma compreensão mais profunda das conexões entre os sistemas quânticos e fenômenos semelhantes na gravitação, como a física dos buracos negros - na verdade, unindo o mundo vertiginosamente pequeno da mecânica quântica e suas teorias "duais" na relatividade geral, dois ramos da física que os cientistas vêm tentando reconciliar há quase um século.

Os co-autores incluem o estudante de doutorado Yawen Fang e pesquisadores da Université de Sherbrooke no Canadá, Universidade do Texas em Austin, o Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético e a Universidade de Warwick no Reino Unido.