Nesse material, os elanãtrons , que tem massa no va¡cuo e na maioria dos outros materiais, se movem como fa³tons ou luz sem massa - um comportamento inesperado, mas um fena´meno teoricamente previsto para existir aqui.
Os cones nesta imagem ilustram as equações de movimento dos elanãtrons quando um campo magnético externo éaplicado a liga de bismuto projetada para o estudo. As linhas verdes e roxas representam elanãtrons que geram e absorvem energia, respectivamente. Crédito: Renee Ripley
Os pesquisadores descobriram uma nova propriedade eletra´nica na fronteira entre as ciências tanãrmicas e qua¢nticas em uma liga de metal especialmente projetada - e no processo identificaram um material promissor para dispositivos futuros que poderiam ligar e desligar o calor com a aplicação de um interruptor magnanãtico. "
Nesse material, os elanãtrons , que tem massa no va¡cuo e na maioria dos outros materiais, se movem como fa³tons ou luz sem massa - um comportamento inesperado, mas um fena´meno teoricamente previsto para existir aqui. A liga foi projetada com os elementos bismuto e antima´nio em intervalos precisos com base na teoria fundamental.
Sob a influaªncia de um campo magnético externo, descobriram os pesquisadores, esses elanãtrons de comportamento estranho manipulam o calor de maneiras não vistas em condições normais. Em ambos os lados quente e frio do material, alguns dos elanãtrons geram calor, ou energia, enquanto outros absorvem energia, transformando efetivamente o material em uma bomba de energia. O resultado: um aumento de 300% em sua condutividade tanãrmica .
Retire o ama£ e o mecanismo serádesligado.
"A geração e absorção formam a anomalia", disse o autor saªnior do estudo Joseph Heremans, professor de engenharia meca¢nica e aeroespacial e Ohio Eminent Scholar em Nanotecnologia da Universidade Estadual de Ohio. "O calor desaparece e reaparece em outro lugar - écomo teletransporte. Isso são acontece em circunsta¢ncias muito especaficas previstas pela teoria qua¢ntica."
Esta propriedade, e a simplicidade de controla¡-lo com um ama£, torna o material um candidato desejável como uma chave de calor sem partes ma³veis, semelhante a um transistor que muda as correntes elanãtricas ou uma torneira que muda a a¡gua, que poderia resfriar computadores ou aumentar o eficiência de usinas termossolares.
"Os termostatos de estado sãolido sem pea§as ma³veis são extremamente desejáveis, mas não existem", disse Heremans. "Este éum dos possaveis mecanismos que levariam a um."
A pesquisa foi publicada hoje (7 de junho de 2021) na revista Nature Materials .
A liga de bismuto-antima´nio estãoentre uma classe de materiais qua¢nticos chamados semimetais de Weyl, cujos elanãtrons não se comportam como esperado. Eles são caracterizados por propriedades que incluempartículas com carga negativa e positiva, elanãtrons e buracos, respectivamente, que se comportam comopartículas "sem massa". Tambanãm parte de um grupo denominado materiais topola³gicos, seus elanãtrons reagem como se o material contivesse campos magnanãticos internos que permitem o estabelecimento de novos caminhos ao longo dos quais essaspartículas se movem.
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Na física, uma anomalia - a geração de elanãtrons e absorção de calor descoberta neste estudo - refere-se a certas simetrias que estãopresentes no mundo cla¡ssico, mas são quebradas no mundo qua¢ntico, disse o coautor do estudo Nandini Trivedi, professor de física em Estado de Ohio.
Ligas de bismuto e outros materiais semelhantes também apresentam condução cla¡ssica, como a maioria dos metais, pela qual a¡tomos vibrantes em uma rede cristalina e o movimento dos elanãtrons transportam calor. Trivedi descreveu o novo caminho ao longo do qual elanãtrons semelhantes a luz manipulam o calor entre si como uma estrada que parece surgir do nada.
“Imagine se vocêmorasse em uma pequena cidade com estradas minaºsculas e, de repente, uma rodovia se abrisseâ€, disse ela. "Esse caminho especafico são se abre se vocêaplicar um gradiente tanãrmico em uma direção e um campo magnético na mesma direção. Portanto, vocêpode fechar facilmente a rodovia colocando o campo magnético em uma direção perpendicular.
"Nenhuma dessas rodovias existe em metais comuns."
Quando um metal como o cobre éaquecido e os elanãtrons fluem da extremidade quente para a extremidade fria, tanto o calor quanto a carga se movem juntos. Por causa da maneira como essa rodovia se abre no material semimetal Weyl experimental, não hámovimento de carga laquida - apenas movimento de energia. A absorção de calor por certos elanãtrons representa uma quebra na quiralidade, ou direcionalidade, o que significa que épossível bombear energia entre duaspartículas que não deveriam interagir - outra característica dos semimetais de Weyl.
Os fasicos teóricos e engenheiros que colaboraram neste estudo previram que essas propriedades existiam em ligas de bismuto especaficas e outros materiais topola³gicos. Para esses experimentos, os cientistas construaram a liga especializada para testar suas previsaµes.
"Trabalhamos muito para sintetizar o material correto, que foi projetado desde o inicio por nospara mostrar esse efeito. Foi importante purifica¡-lo bem abaixo dos naveis de impurezas que vocêencontra na natureza", disse Heremans. Quando composta, a liga minimizou a condução de fundo para que os pesquisadores pudessem detectar o comportamento dos elanãtrons sem massa, conhecidos como fanãrmions de Weyl.
"Em materiais comuns, os elanãtrons arrastam com eles um pequeno ama£. No entanto, a estrutura eletra´nica peculiar dessas ligas de bismuto significa que os elanãtrons arrastam um ama£ quase 50 vezes maior do que o normal", disse Michael Flattanã, professor de física e astronomia do University of Iowa e um coautor do estudo. "Esses imensos ama£s subata´micos permitiram que o novo estado eletra´nico fosse formado usando campos magnanãticos de laboratório.
"Esses resultados mostram que as teorias desenvolvidas para a física de alta energia e as teorias departículas subatômicas podem muitas vezes ser realizadas em materiais eletra´nicos especialmente projetados."
Como tudo o que équa¢ntico, Heremans disse, "o que observamos parece um pouco ma¡gico, mas éisso que nossas equações dizem que deveria fazer e éo que provamos experimentalmente que faz."
Um problema: o mecanismo neste material funciona apenas em uma temperatura baixa, abaixo de 100 graus Fahrenheit negativos. Com os fundamentos agora compreendidos, os pesquisadores tem muitas opções enquanto trabalham em direção a aplicações potenciais.
"Agora sabemos que materiais procurar e de que pureza precisamos", disse Heremans. "a‰ assim que passamos da descoberta de um fena´meno fasico a um material de engenharia."