Reduzido a poucas camadas atômicas, um material formado exclusivamente por telúrio, elemento químico de símbolo Te e número atômico 52 na tabela periódica, pertencente ao grupo dos calcogênios (o mesmo do oxigênio, enxofre e selênio), acaba de revelar um comportamento eletrônico a um só tempo surpreendente e auspicioso.
Em artigo publicado em 5 de junho na revista Nature Communications, pesquisadores da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), da Purdue University (Estados Unidos), de instituições europeias e de Singapura demonstraram que filmes de telureno (forma quase bidimensional do telúrio, composta por camadas com espessura de poucos átomos, que apresentam propriedades eletrônicas e quânticas diferentes daquelas observadas no material tridimensional) exibem uma magnetorresistência negativa gigante, capaz de reduzir em até 90% a resistência elétrica do material quando submetido a um campo magnético.
Segundo os autores, o efeito está diretamente ligado à chamada geometria quântica do material e a uma interação magnetoelétrica que até então não havia sido objeto de estudos acadêmicos. “O artigo mostra teoricamente que no telureno o fenômeno da magnetorresistência gigante se origina de um mecanismo novo que faz uso de uma nova interação nunca antes discutida na literatura científica”, resume o físico Marcello Barbosa da Silva Neto, professor da UFRJ e primeiro autor do estudo.
A descoberta ajuda a esclarecer uma pergunta conhecida na física da matéria condensada: qual a origem da magnetorresistência negativa em materiais complexos dotados de propriedades topológicas e geometria quântica não trivial?
Antes de respondê-la, convém entender um pouco mais sobre as propriedades do telunero. Marcello conta que o material pertence à família dos chamados “X-enos”, materiais bidimensionais inspirados pelo sucesso do grafeno, isolado pela primeira vez em 2004. “Assim como o grafeno é formado apenas por carbono, o telureno é composto exclusivamente por átomos de telúrio”, coteja o pesquisador.
A diferença, ele prossegue, é que o telúrio não pode ser facilmente esfoliado por técnicas convencionais, como a famosa “scotch tape”, utilizada para obter as primeiras folhas de grafeno. O desenvolvimento do telureno exige métodos químicos mais sofisticados.
“O telúrio é um material semicondutor tridimensional. O professor Peide Ye, da Universidade de Purdue, desenvolveu uma técnica de crescimento hidrotérmico utilizando hidrazina que permitiu separar esse material em camadas muito finas, quase bidimensionais, que ele chamou de telureno”, explica Marcello, em referência ao pesquisador sino-americano especializado em nanoeletrônica e materiais bidimensionais e à universidade que fica na cidade de West Lafayette, no estado de Indiana, e é referência em ciência dos materiais.
Ainda segundo Marcello, desde a síntese do telureno, em 2017, o material vem atraindo atenção por apresentar propriedades eletrônicas incomuns. Entre elas está o fato de seus elétrons se comportarem como férmions de Weyl, como são conhecidas as partículas quânticas caracterizadas por uma relação especial entre movimento e spin.
A investigação conduzida por Marcello começou a partir de experimentos realizados no laboratório de Peide Ye. Os pesquisadores mediram a resistência elétrica do telureno na presença de campos magnéticos intensos e temperaturas criogênicas (abaixo de −150 °C). O resultado foi surpreendente.
“Normalmente, como a gente sabe que um campo magnético faz o elétron fazer curva, ele atrapalharia uma corrente. Então fica mais difícil para o elétron caminhar no sentido desejado e a resistência aumenta”, explica Marcello. Esse comportamento, conhecido como magnetorresistência positiva, é amplamente observado em semicondutores convencionais como silício e germânio.
No telureno, porém, ocorreu exatamente o contrário. “A surpresa foi que, em baixas temperaturas e campos magnéticos altos, a resistência diminuiu. Ficou mais fácil para os elétrons atravessarem o material simplesmente pelo fato de você aplicar um campo magnético.” O efeito chamou atenção não apenas por ser negativo, mas também por sua magnitude excepcional.
“Magnetorresistência negativa já havia sido comunicada na literatura antes, mas nunca num valor tão grande e nunca com o tipo de anisotropia que a gente observava.”
Foi nesse momento que entrou a contribuição teórica liderada pela equipe da UFRJ, através de Marcello Neto e Caio Lewenkopf. Os pesquisadores começaram examinando todos os mecanismos tradicionalmente associados à magnetorresistência negativa.
“A gente foi olhar quem causa a magnetorresistência negativa. Interferência quântica pode? Pode. Fizemos o cálculo e não era. Tentamos mecanismos clássicos, desordem, outros processos de espalhamento. Tentamos o que há de conhecido na literatura.”
Nenhuma das explicações reproduzia simultaneamente a intensidade e a anisotropia observadas experimentalmente. A pista decisiva surgiu quando a equipe considerou uma característica fundamental do telureno: sua natureza de semicondutor de Weyl.
“Os elétrons do telureno são elétrons de Weyl. Então pensamos: pode ser que o fato de o campo magnético reduzir a resistência esteja associado justamente a essa propriedade.”
A partir dessa hipótese, a investigação levou os pesquisadores a um conceito que vem ganhando crescente importância na física contemporânea: a geometria quântica.
Na física clássica, distâncias e trajetórias são descritas pela geometria euclidiana. No mundo quântico, entretanto, estados eletrônicos ocupam um espaço matemático muito mais complexo. “Nesses materiais, a distância entre dois estados quânticos é governada por uma quantidade chamada métrica quântica”, explica Marcello.
Nos materiais de Weyl, essa métrica pode assumir valores extremamente elevados nas proximidades de certos pontos da estrutura eletrônica. “Em materiais de Weyl, essa geometria quântica é singular, ela é muito forte. Ela explode.”
Os cálculos desenvolvidos pela equipe mostraram que a magnetorresistência negativa observada é diretamente proporcional à métrica quântica do material. “Conseguimos calcular a magnetorresistência e mostrar que ela é negativa e proporcional à métrica quântica. Isso explica por que mesmo um campo magnético relativamente pequeno pode produzir um efeito tão grande.”
Segundo os autores, trata-se de uma manifestação inédita de um efeito de memória não Markoviano no transporte eletrônico, impulsionado pela geometria quântica.
A geometria quântica, porém, explicava apenas parte da história. Os experimentos mostravam ainda uma forte anisotropia: o efeito dependia da orientação do campo magnético. Para entender essa característica, os pesquisadores identificaram uma interação magnetoelétrica inédita.
“No telureno existe uma polarização elétrica intrínseca na superfície do material. Quando você combina essa polarização com um campo magnético, surge um novo tipo de movimento eletrônico”, pontua Marcello, para em seguida lançar mão de uma analogia náutica que ajuda a entender o fenômeno.
“Imagine uma lancha em uma correnteza forte. O motor quer empurrar para um lado e a correnteza para outro. O resultado é um movimento de deriva.” No telureno, ele acrescenta, ocorre algo semelhante. A polarização elétrica e o campo magnético atuam simultaneamente sobre os elétrons, produzindo um movimento de deriva associado ao spin dos férmions de Weyl.
“Como é um elétron de Weyl, ele vai para cima com o spin para cima ou para baixo com o spin para baixo. Isso produz um fenômeno de transporte muito rico.”
Possíveis aplicações
Embora o estudo seja fundamentalmente voltado à compreensão dos mecanismos quânticos envolvidos, os resultados também apontam para aplicações tecnológicas potenciais. A magnetorresistência já desempenhou papel decisivo no desenvolvimento dos discos rígidos magnéticos, tecnologia que revolucionou o armazenamento de dados a partir dos anos 1980.
“Dependendo da orientação magnética, você obtém sinais diferentes que podem ser interpretados como dados gravados. Então existe naturalmente uma aplicação nanoeletrônica para essa magnetorresistência.”
Além disso, o material apresenta um segundo fenômeno relevante: a não reciprocidade do transporte eletrônico. “É mais fácil ser empurrado em uma direção do que voltar contra a polarização. Isso cria naturalmente um mecanismo de retificação.”
A retificação é o princípio de funcionamento dos diodos, componentes fundamentais em praticamente todos os circuitos eletrônicos modernos. Segundo Marcello, o telureno reúne características particularmente atraentes para futuras aplicações. “É um material bidimensional que poderia facilmente fazer parte de chips e wafers eletrônicos. Ele é extremamente sensível a campos magnéticos e também pode ser usado para gerar corrente contínua a partir de corrente alternada.” Outro aspecto importante é sua estabilidade. “Ele funciona à temperatura ambiente, é estável e representa uma grande promessa tecnológica.”
O estudo é fruto de uma ampla colaboração internacional iniciada em 2024. Marcello ressalta que esse trabalho em equipe já resultou em um artigo na Physical Review Letters, além da recente publicação na Nature Communications. Para o professor da UFRJ, a colaboração ajuda a colocar a física brasileira em posição estratégica em uma área emergente da pesquisa mundial.
“Conseguimos nos encaixar em uma área muito interessante, unindo teoria, experimento, cálculos numéricos, análise de dados e até ferramentas de inteligência artificial para explorar o potencial desse material.” Ele destaca que poucos grupos no mundo dominam atualmente a síntese e caracterização do telureno.
“Estamos trabalhando diretamente com grupos que estão na vanguarda das técnicas de crescimento e caracterização. Isso nos permite publicar em revistas de alto impacto e construir uma colaboração científica de longo prazo.”
Professor do Instituto de Física da UFRJ, Marcello atua na área de matéria condensada, com ênfase em materiais quânticos, sistemas topológicos e propriedades eletrônicas de materiais de baixa dimensionalidade. Participa das atividades do grupo Quantum Matter da UFRJ, orienta alunos de iniciação científica, mestrado e doutorado, e desenvolve pesquisas que combinam teoria, modelagem numérica e colaboração direta com grupos experimentais internacionais.
Ao comentar o futuro da área, ele demonstra entusiasmo. “O telúrio está sendo uma grata surpresa. Cada experimento ou cálculo novo revela algo inesperado. É uma fonte incessante de boas surpresas”, diz, ressaltando que o estudo recém-publicado representa apenas o começo. “Essa colaboração é de longo prazo. Estamos escrevendo projetos para doutorado sanduíche, pós-doutorado e novas iniciativas internacionais. Temos muito ainda para descobrir.” A depender dos resultados obtidos até agora, o telureno promete continuar surpreendendo a comunidade científica por muitos anos.
Assista à entrevista com o físico Marcello Barbosa da Silva Neto (UFRJ)
Por Leandro Haberli
