Em uma nova pesquisa publicada na revista científica revisada por pares Materials Advances, físicos detalham como foram capazes de examinar um comportamento de elétron que nunca foi isolado antes. Eles estavam observando elétrons de Dirac, que são encontrados em condições especiais.
Mas no passado, eles sempre estiveram misturados com outros tipos de elétrons, tornando-os difíceis de estudar. Agora, finalmente isolá-los permitiu que os físicos estudem suas propriedades únicas: tornando-se efetivamente sem peso e capazes de viajar em velocidades semelhantes às dos fótons, até a velocidade da luz.
Tudo o que foi necessário foi 12.000 vezes a pressão barométrica média da Terra e um tipo especial de spin.
Existem alguns termos importantes para definir aqui. Os elétrons de Dirac desempenham um papel-chave em uma descoberta relativamente recente chamada materiais topológicos. Estes são compostos que conduzem eletricidade apenas em suas superfícies externas—seus interiores continuam a agir como isolantes. Pense nisso como uma bola de borracha com fios elétricos enrolados ao redor dela, exceto que de alguma forma o todo é feito do mesmo material. Compreensivelmente, essa descoberta ganhou o Prêmio Nobel em 2016, explica o Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE).
Na física da matéria sólida (incluindo o estudo de condutores e comportamentos quânticos), os cientistas analisam todas as diferentes maneiras como partículas incomuns se comportam sob condições incomuns. A Terra, no geral, é bastante previsível em termos de como os minerais e substâncias funcionam, mas esses padrões previsíveis podem se tornar muito mais interessantes se mexermos com os parâmetros o suficiente. A radiação, por exemplo, acontece naturalmente e foi grandemente acelerada em ambientes de laboratório para fazer usinas nucleares. Fenômenos quânticos—como partículas sendo capazes de viajar quase instantaneamente através de distâncias—também requerem atenção especial no laboratório.
Mas não é fácil estudar o comportamento em uma escala quântica. Para fazer isso, os cientistas criam condições como frio extremo e pressão. Isso diminui bastante até as partículas mais evasivas e muda a natureza das próprias matérias sólidas. Os caminhos para os elétrons crescem, se contraem, se multiplicam, desaparecem—tudo é possível, dependendo do material. Em materiais supercondutores, elétrons viajam sem serem impedidos por qualquer resistência. Em materiais de Dirac, de acordo com a Science Alert, “a sobreposição de átomos coloca alguns de seus elétrons em um espaço estranho que permite que eles pulem ao redor dos materiais com excelente eficiência energética”.
O problema é que, embora os cientistas tenham procurado e detectado a Diracidade por muitos anos agora—o físico inglês Paul Dirac primeiro a descreveu em 1928—é muito difícil isolar e observar esses elétrons de perto em vez de em uma imagem de grupo barulhenta, além de já serem difíceis de observar apenas por sua natureza quântica. Mas após estudar o corpo existente de trabalho e realizar algumas novas pesquisas, cientistas da Universidade de Ehime, Universidade Toho e Universidade de Hokkaido (todas no Japão) perceberam que poderiam usar um material específico que melhor destacava o diferente spin dos elétrons de Dirac.
Isso tornou mais fácil identificar esses elétrons para estudo adicional através de um processo chamado ressonância de spin do elétron—elétrons não emparelhados são proverbialmente soltos do material, como manter bolas de praia no ar acima de uma lona ondulante. Na matéria sólida, isso é feito usando espectroscopia, que é o mesmo campo que pode ajudar os cientistas a identificar estrelas e buracos negros. Apenas esses elétrons livres como bolas de praia respondem à espectroscopia.
Encontrar finalmente uma maneira de isolar os esquivos elétrons de Dirac não foi a única coisa que os cientistas conseguiram descobrir neste estudo, no entanto. Por um lado, foi inesperado que o polímero cristalino crítico para este experimento fosse tridimensional em vez de uma nanochapa de uma única camada de algo como o grafeno. Olhar através de você é muito mais fácil quando você tem apenas uma partícula de espessura. Mas ele serviu muito bem em seu tamanho mais amplo.
Por outro lado, mapear os elétrons de Dirac desta forma e torná-los mais uniformes em termos de spin observado, permitiu que os pesquisadores fizessem mais observações sobre como eles se comportam. Quando a temperatura do material passa dos 100 Kelvin, ou um frio de -137 ºC, as formas cônicas de Dirac realmente se abrem. Como o polímero não é tão fino, os cones são mais definidos e mais próximos das três dimensões que os cientistas esperam usar nesses materiais em aplicações da vida real.
