SmB6 – o material que é condutor e isolante ao mesmo tempo

Se um condutor elétrico é o material que permite que as cargas elétricas se desloquem através de si de uma maneira relativamente livre e o isolante elétrico, pelo contrário, impõe uma grande dificuldade em ocorrer movimentação de cargas, como é possível um material ser isolante e condutor elétrico ao mesmo tempo? Pois foi exatamente isso que alguns cientistas detectaram ao estudar materiais como o hexaboreto de samário (SmB6). A explicação para o fenômeno, no entanto, não está sendo nada fácil.

Há diversas teorias que buscam explicar a condução e isolamento simultâneo. Alguns estudiosos do assunto acreditam que assim como alguns materiais possuem uma fase semicondutora em determinadas condições de temperatura e pressão, na qual o material apresenta resistência nula ao fluxo de elétrons, outros possuem também uma fase não isolante nem condutora. Funciona de maneira análoga à dualidade partícula-onda da física: O elétron tem dualidade partícula-onda, então ora ele se comporta como partícula, ora como onda, no entanto ele não pode ser chamado puramente de nenhum dos dois. Aqui o material também seria isolante e condutor ao mesmo tempo, mas ainda assim nenhum dos dois de fato.

Esse estranho comportamento foi identificado em diversos materiais isolantes topológicos, isto é, materiais híbridos que se comportam como uma espécie de sanduíche, nos quais as propriedades da superfície são diferentes das do interior do material. Assim, é mais fácil aceitar que possuam um comportamento tão contraditório, já que suas propriedades de fato variam de acordo com a região analisada. O problema surgiu quando foi identificado o mesmo comportamento no hexaboreto de samário (SmB6), o qual apresenta esse comportamento em toda a sua massa quando encontra-se a temperaturas muito baixas, ou seja, não é um isolante topológico. Uma das explicações científicas no momento é que o SmB6 poderia estar alternando entre isolante e condutor por ter um gap muito pequeno entre os dois comportamentos, de forma que os elétrons possam facilmente saltar por essa lacuna. “Como este material está próximo à região de cruzamento entre isolante e condutor, descobrimos que ele exibe algumas propriedades realmente estranhas – nós estamos explorando a possibilidade de que esta seja uma nova fase quântica,” afirma Sebastian, da Universidade de Cambridge.

SmB6

Hexaboreto de samário – Créditos Andrew Testa  (Quanta Magazine).

Há também quem diga que esse fenômeno é observado porque o material é um buraco negro hiperdimensional. No entanto, Zaanen, um dos estudiosos do fenômeno, acredita que “não há nenhuma hipótese confiável neste momento”. Assim como a supercondutividade levou cerca de meio século para ser explicada, essa grande descoberta também vem desafiando a ciência e pode demorar algum tempo até ser perfeitamente compreendida.

Se você ainda está se perguntando como os cientistas conseguiram observar esse efeito condutor-isolante no material, já que não parece ser possível passar e não passar corrente ao mesmo tempo, eis a explicação: a transmissão de corrente é baixa, como um isolante, o que normalmente é atribuído a um aprisionamento dos elétrons. No entanto, nota-se uma grande movimentação de elétrons pelo material quando é aplicado um campo magnético, como em um condutor. Ou seja, há uma mobilidade de elétrons mas não há um fluxo de eletricidade, o que contradiz completamente a física que conhecemos, por isso a compreensão é tão difícil. No entanto, a história mostra que às vezes é importante esperar. A supercondutividade, antes incompreendida e pouco viável devido às baixas temperaturas necessárias para alcançá-la, é hoje responsável pelos ímãs mais poderosos do mundo, inclusive os do acelerador de partículas na Suíça. Sendo assim, vamos esperar para ver quais surpresas e benefícios o estudo dos materiais simultaneamente condutores e isolantes poderá nos trazer!

Fontes:

Paradoxical Crystal Baffles Physicists – Quanta Magazine;

Descoberto material que é simultaneamente condutor e isolante – Inovação Tecnológica.

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Supercondutividade cada vez mais próxima da temperatura ambiente

Supercondutores são materiais que apresentam resistência elétrica nula sob determinadas condições externas, normalmente baixas temperaturas e pequenos campos magnéticos. São essas condições restritivas, principalmente a temperatura, que limitam significativamente o desenvolvimento de produtos a partir de supercondutores. Um dos materiais de mais alta temperatura crítica à pressão ambiente, que é a temperatura máxima na qual o supercondutor mantém suas propriedades, é a cerâmica de composição Hg0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8, cuja temperatura crítica é cerca de -135°C. Apesar de extremamente elevada comparada aos supercondutores descobertos inicialmente, cujas temperaturas críticas ficam em torno de -270 a -234°C, essa temperatura ainda é bastante distante da temperatura ambiente, tornando necessário o uso de sistemas de refrigeração, que implicam em alto custo e alto gasto energético para desenvolvimento de produtos a partir de supercondutores. O vídeo abaixo mostra um exemplo de utilização de um supercondutor para o desenvolvimento de um equipamento de lazer, uma espécie de skate denominada Hoverboard. Reparem que é necessária constante emissão de gás para refrigeração do componente, mantendo-o a baixas temperaturas.

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