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.

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 abrisse”, 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."