Reduzido a poucas camadas at\u00f4micas, um material formado exclusivamente por tel\u00fario, elemento qu\u00edmico de s\u00edmbolo Te e n\u00famero at\u00f4mico 52 na tabela peri\u00f3dica, pertencente ao grupo dos calcog\u00eanios (o mesmo do oxig\u00eanio, enxofre e sel\u00eanio), acaba de revelar um comportamento eletr\u00f4nico a um s\u00f3 tempo surpreendente e auspicioso.<\/p>\n\n\n\n
<\/a>Em artigo publicado em 5 de junho<\/a> na revista Nature Communications, pesquisadores da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), da Purdue University (Estados Unidos), de institui\u00e7\u00f5es europeias e de Singapura demonstraram que filmes de telureno (forma quase bidimensional do tel\u00fario, composta por camadas com espessura de poucos \u00e1tomos, que apresentam propriedades eletr\u00f4nicas e qu\u00e2nticas diferentes daquelas observadas no material tridimensional) exibem uma magnetorresist\u00eancia negativa gigante, capaz de reduzir em at\u00e9 90% a resist\u00eancia el\u00e9trica do material quando submetido a um campo magn\u00e9tico.<\/p>\n\n\n\n Segundo os autores, o efeito est\u00e1 diretamente ligado \u00e0 chamada geometria qu\u00e2ntica do material e a uma intera\u00e7\u00e3o magnetoel\u00e9trica que at\u00e9 ent\u00e3o n\u00e3o havia sido objeto de estudos acad\u00eamicos. \u201cO artigo mostra teoricamente que no telureno o fen\u00f4meno da magnetorresist\u00eancia gigante se origina de um mecanismo novo que faz uso de uma nova intera\u00e7\u00e3o nunca antes discutida na literatura cient\u00edfica\u201d, resume o f\u00edsico Marcello Barbosa da Silva Neto, professor da UFRJ e primeiro autor do estudo.<\/p>\n\n\n\n A descoberta ajuda a esclarecer uma pergunta conhecida na f\u00edsica da mat\u00e9ria condensada: qual a origem da magnetorresist\u00eancia negativa em materiais complexos dotados de propriedades topol\u00f3gicas e geometria qu\u00e2ntica n\u00e3o trivial?<\/p>\n\n\n\n Antes de respond\u00ea-la, conv\u00e9m entender um pouco mais sobre as propriedades do telunero. Marcello conta que o material pertence \u00e0 fam\u00edlia dos chamados \u201cX-enos\u201d, materiais bidimensionais inspirados pelo sucesso do grafeno, isolado pela primeira vez em 2004. \u201cAssim como o grafeno \u00e9 formado apenas por carbono, o telureno \u00e9 composto exclusivamente por \u00e1tomos de tel\u00fario\u201d, coteja o pesquisador.<\/p>\n\n\n\n A diferen\u00e7a, ele prossegue, \u00e9 que o tel\u00fario n\u00e3o pode ser facilmente esfoliado por t\u00e9cnicas convencionais, como a famosa \u201cscotch tape\u201d, utilizada para obter as primeiras folhas de grafeno. O desenvolvimento do telureno exige m\u00e9todos qu\u00edmicos mais sofisticados.<\/p>\n\n\n\n \u201cO tel\u00fario \u00e9 um material semicondutor tridimensional. O professor Peide Ye, da Universidade de Purdue, desenvolveu uma t\u00e9cnica de crescimento hidrot\u00e9rmico utilizando hidrazina que permitiu separar esse material em camadas muito finas, quase bidimensionais, que ele chamou de telureno\u201d, explica Marcello, em refer\u00eancia ao pesquisador sino-americano especializado em nanoeletr\u00f4nica e materiais bidimensionais e \u00e0 universidade que fica na cidade de West Lafayette, no estado de Indiana, e \u00e9 refer\u00eancia em ci\u00eancia dos materiais.<\/p>\n\n\n\n Ainda segundo Marcello, desde a s\u00edntese do telureno, em 2017, o material vem atraindo aten\u00e7\u00e3o por apresentar propriedades eletr\u00f4nicas incomuns. Entre elas est\u00e1 o fato de seus el\u00e9trons se comportarem como f\u00e9rmions de Weyl, como s\u00e3o conhecidas as part\u00edculas qu\u00e2nticas caracterizadas por uma rela\u00e7\u00e3o especial entre movimento e spin.<\/p>\n\n\n\n A investiga\u00e7\u00e3o conduzida por Marcello come\u00e7ou a partir de experimentos realizados no laborat\u00f3rio de Peide Ye. Os pesquisadores mediram a resist\u00eancia el\u00e9trica do telureno na presen\u00e7a de campos magn\u00e9ticos intensos e temperaturas criog\u00eanicas (abaixo de \u2212150 \u00b0C). O resultado foi surpreendente.<\/p>\n\n\n\n \u201cNormalmente, como a gente sabe que um campo magn\u00e9tico faz o el\u00e9tron fazer curva, ele atrapalharia uma corrente. Ent\u00e3o fica mais dif\u00edcil para o el\u00e9tron caminhar no sentido desejado e a resist\u00eancia aumenta\u201d, explica Marcello. Esse comportamento, conhecido como magnetorresist\u00eancia positiva, \u00e9 amplamente observado em semicondutores convencionais como sil\u00edcio e germ\u00e2nio.<\/p>\n\n\n\n No telureno, por\u00e9m, ocorreu exatamente o contr\u00e1rio. \u201cA surpresa foi que, em baixas temperaturas e campos magn\u00e9ticos altos, a resist\u00eancia diminuiu. Ficou mais f\u00e1cil para os el\u00e9trons atravessarem o material simplesmente pelo fato de voc\u00ea aplicar um campo magn\u00e9tico.\u201d O efeito chamou aten\u00e7\u00e3o n\u00e3o apenas por ser negativo, mas tamb\u00e9m por sua magnitude excepcional.<\/p>\n\n\n\n \u201cMagnetorresist\u00eancia negativa j\u00e1 havia sido comunicada na literatura antes, mas nunca num valor t\u00e3o grande e nunca com o tipo de anisotropia que a gente observava.\u201d<\/p>\n\n\n\n Foi nesse momento que entrou a contribui\u00e7\u00e3o te\u00f3rica liderada pela equipe da UFRJ, atrav\u00e9s de Marcello Neto e Caio Lewenkopf. Os pesquisadores come\u00e7aram examinando todos os mecanismos tradicionalmente associados \u00e0 magnetorresist\u00eancia negativa.<\/p>\n\n\n\n \u201cA gente foi olhar quem causa a magnetorresist\u00eancia negativa. Interfer\u00eancia qu\u00e2ntica pode? Pode. Fizemos o c\u00e1lculo e n\u00e3o era. Tentamos mecanismos cl\u00e1ssicos, desordem, outros processos de espalhamento. Tentamos o que h\u00e1 de conhecido na literatura.\u201d<\/p>\n\n\n\n Nenhuma das explica\u00e7\u00f5es reproduzia simultaneamente a intensidade e a anisotropia observadas experimentalmente. A pista decisiva surgiu quando a equipe considerou uma caracter\u00edstica fundamental do telureno: sua natureza de semicondutor de Weyl.<\/p>\n\n\n\n \u201cOs el\u00e9trons do telureno s\u00e3o el\u00e9trons de Weyl. Ent\u00e3o pensamos: pode ser que o fato de o campo magn\u00e9tico reduzir a resist\u00eancia esteja associado justamente a essa propriedade.\u201d<\/p>\n\n\n\n A partir dessa hip\u00f3tese, a investiga\u00e7\u00e3o levou os pesquisadores a um conceito que vem ganhando crescente import\u00e2ncia na f\u00edsica contempor\u00e2nea: a geometria qu\u00e2ntica.<\/p>\n\n\n\n Na f\u00edsica cl\u00e1ssica, dist\u00e2ncias e trajet\u00f3rias s\u00e3o descritas pela geometria euclidiana. No mundo qu\u00e2ntico, entretanto, estados eletr\u00f4nicos ocupam um espa\u00e7o matem\u00e1tico muito mais complexo. \u201cNesses materiais, a dist\u00e2ncia entre dois estados qu\u00e2nticos \u00e9 governada por uma quantidade chamada m\u00e9trica qu\u00e2ntica\u201d, explica Marcello.<\/p>\n\n\n\n Nos materiais de Weyl, essa m\u00e9trica pode assumir valores extremamente elevados nas proximidades de certos pontos da estrutura eletr\u00f4nica. \u201cEm materiais de Weyl, essa geometria qu\u00e2ntica \u00e9 singular, ela \u00e9 muito forte. Ela explode.\u201d<\/p>\n\n\n\n Os c\u00e1lculos desenvolvidos pela equipe mostraram que a magnetorresist\u00eancia negativa observada \u00e9 diretamente proporcional \u00e0 m\u00e9trica qu\u00e2ntica do material. \u201cConseguimos calcular a magnetorresist\u00eancia e mostrar que ela \u00e9 negativa e proporcional \u00e0 m\u00e9trica qu\u00e2ntica. Isso explica por que mesmo um campo magn\u00e9tico relativamente pequeno pode produzir um efeito t\u00e3o grande.\u201d<\/p>\n\n\n\n Segundo os autores, trata-se de uma manifesta\u00e7\u00e3o in\u00e9dita de um efeito de mem\u00f3ria n\u00e3o Markoviano no transporte eletr\u00f4nico, impulsionado pela geometria qu\u00e2ntica.<\/p>\n\n\n\n A geometria qu\u00e2ntica, por\u00e9m, explicava apenas parte da hist\u00f3ria. Os experimentos mostravam ainda uma forte anisotropia: o efeito dependia da orienta\u00e7\u00e3o do campo magn\u00e9tico. Para entender essa caracter\u00edstica, os pesquisadores identificaram uma intera\u00e7\u00e3o magnetoel\u00e9trica in\u00e9dita.<\/p>\n\n\n\n \u201cNo telureno existe uma polariza\u00e7\u00e3o el\u00e9trica intr\u00ednseca na superf\u00edcie do material. Quando voc\u00ea combina essa polariza\u00e7\u00e3o com um campo magn\u00e9tico, surge um novo tipo de movimento eletr\u00f4nico\u201d, pontua Marcello, para em seguida lan\u00e7ar m\u00e3o de uma analogia n\u00e1utica que ajuda a entender o fen\u00f4meno.<\/p>\n\n\n\n \u201cImagine uma lancha em uma correnteza forte. O motor quer empurrar para um lado e a correnteza para outro. O resultado \u00e9 um movimento de deriva.\u201d No telureno, ele acrescenta, ocorre algo semelhante. A polariza\u00e7\u00e3o el\u00e9trica e o campo magn\u00e9tico atuam simultaneamente sobre os el\u00e9trons, produzindo um movimento de deriva associado ao spin dos f\u00e9rmions de Weyl.<\/p>\n\n\n\n \u201cComo \u00e9 um el\u00e9tron de Weyl, ele vai para cima com o spin para cima ou para baixo com o spin para baixo. Isso produz um fen\u00f4meno de transporte muito rico.\u201d<\/p>\n\n\n\n Embora o estudo seja fundamentalmente voltado \u00e0 compreens\u00e3o dos mecanismos qu\u00e2nticos envolvidos, os resultados tamb\u00e9m apontam para aplica\u00e7\u00f5es tecnol\u00f3gicas potenciais. A magnetorresist\u00eancia j\u00e1 desempenhou papel decisivo no desenvolvimento dos discos r\u00edgidos magn\u00e9ticos, tecnologia que revolucionou o armazenamento de dados a partir dos anos 1980.<\/p>\n\n\n\n \u201cDependendo da orienta\u00e7\u00e3o magn\u00e9tica, voc\u00ea obt\u00e9m sinais diferentes que podem ser interpretados como dados gravados. Ent\u00e3o existe naturalmente uma aplica\u00e7\u00e3o nanoeletr\u00f4nica para essa magnetorresist\u00eancia.\u201d<\/p>\n\n\n\n Al\u00e9m disso, o material apresenta um segundo fen\u00f4meno relevante: a n\u00e3o reciprocidade do transporte eletr\u00f4nico. \u201c\u00c9 mais f\u00e1cil ser empurrado em uma dire\u00e7\u00e3o do que voltar contra a polariza\u00e7\u00e3o. Isso cria naturalmente um mecanismo de retifica\u00e7\u00e3o.\u201d<\/p>\n\n\n\n A retifica\u00e7\u00e3o \u00e9 o princ\u00edpio de funcionamento dos diodos, componentes fundamentais em praticamente todos os circuitos eletr\u00f4nicos modernos. Segundo Marcello, o telureno re\u00fane caracter\u00edsticas particularmente atraentes para futuras aplica\u00e7\u00f5es. \u201c\u00c9 um material bidimensional que poderia facilmente fazer parte de chips e wafers eletr\u00f4nicos. Ele \u00e9 extremamente sens\u00edvel a campos magn\u00e9ticos e tamb\u00e9m pode ser usado para gerar corrente cont\u00ednua a partir de corrente alternada.\u201d Outro aspecto importante \u00e9 sua estabilidade. \u201cEle funciona \u00e0 temperatura ambiente, \u00e9 est\u00e1vel e representa uma grande promessa tecnol\u00f3gica.\u201d<\/p>\n\n\n\n O estudo \u00e9 fruto de uma ampla colabora\u00e7\u00e3o internacional iniciada em 2024. Marcello ressalta que esse trabalho em equipe j\u00e1 resultou em um artigo na Physical Review Letters, al\u00e9m da recente publica\u00e7\u00e3o na Nature Communications. Para o professor da UFRJ, a colabora\u00e7\u00e3o ajuda a colocar a f\u00edsica brasileira em posi\u00e7\u00e3o estrat\u00e9gica em uma \u00e1rea emergente da pesquisa mundial.<\/p>\n\n\n\n \u201cConseguimos nos encaixar em uma \u00e1rea muito interessante, unindo teoria, experimento, c\u00e1lculos num\u00e9ricos, an\u00e1lise de dados e at\u00e9 ferramentas de intelig\u00eancia artificial para explorar o potencial desse material.\u201d Ele destaca que poucos grupos no mundo dominam atualmente a s\u00edntese e caracteriza\u00e7\u00e3o do telureno.<\/p>\n\n\n\n \u201cEstamos trabalhando diretamente com grupos que est\u00e3o na vanguarda das t\u00e9cnicas de crescimento e caracteriza\u00e7\u00e3o. Isso nos permite publicar em revistas de alto impacto e construir uma colabora\u00e7\u00e3o cient\u00edfica de longo prazo.\u201d<\/p>\n\n\n\n Professor do Instituto de F\u00edsica da UFRJ, Marcello atua na \u00e1rea de mat\u00e9ria condensada, com \u00eanfase em materiais qu\u00e2nticos, sistemas topol\u00f3gicos e propriedades eletr\u00f4nicas de materiais de baixa dimensionalidade. Participa das atividades do grupo Quantum Matter da UFRJ, orienta alunos de inicia\u00e7\u00e3o cient\u00edfica, mestrado e doutorado, e desenvolve pesquisas que combinam teoria, modelagem num\u00e9rica e colabora\u00e7\u00e3o direta com grupos experimentais internacionais.<\/p>\n\n\n\nPoss\u00edveis aplica\u00e7\u00f5es<\/h2>\n\n\n\n