Um estudo explora como o comportamento dos elétrons muda na mesoescala sob campos magnéticos e rotação.
Recentemente, o desenvolvimento de computadores e outros eletrônicos cada vez mais miniaturizados despertou o interesse pela compreensão dos fenômenos físicos que ocorrem na escala nanométrica, que ocupa um espaço intermediário entre o mundo microscópico das partículas elementares e os objetos macroscópicos descritos pela física clássica.
Nesta escala “mesoscópica”, que é maior do que átomos e moléculas individuais, mas ainda pequena o suficiente para que os efeitos quânticos sejam importantes, a mecânica quântica é frequentemente necessária para entender e descrever esses sistemas com precisão. Isso torna o estudo teórico desses objetos muito desafiador, pois os cálculos da mecânica quântica são geralmente mais complicados do que os clássicos.
Se um sistema de tamanho mesoscópico fizer parte de um instrumento ou engenhoca, ele pode estar sujeito a diversas influências externas, como campos magnéticos e elétricos, pressão, rotação e aceleração, intencionais ou não. Compreender como esses fatores afetam as propriedades físicas de um objeto mesoscópico é importante para projetar um aparelho funcional que funcione como pretendido.
Campos magnéticos e rotação
Para descobrir como os campos magnéticos e a rotação rápida alteram as propriedades dos sistemas mesoscópicos, os físicos da Universidade Federal do Maranhão, no Brasil, Luís Fernando Pereira e Edilberto Silva, analisaram o comportamento dos elétrons em um anel rotativo colocado em um campo magnético. Os pesquisadores se interessaram pelos elétrons porque essas partículas são responsáveis pelas propriedades magnéticas e condutivas de um material, entre outras.
Em seu estudo teórico, que incluiu extensas simulações numéricas, os cientistas consideraram um anel com diâmetro inferior a um micrômetro que poderia representar uma parte rotativa de um dispositivo real. Quando não estão girando, os físicos descobriram que o comportamento dos elétrons era consistente com estudos anteriores. Especificamente, quase todos os elétrons, exceto aqueles localizados próximos às bordas do anel, existiam em estados com a mesma energia chamados estados de Landau. Os elétrons nos estados de borda têm energias mais altas.
Sabe-se que se um sistema está girando, ele é afetado pela força centrífuga, como uma pessoa andando em um carrossel. Os cientistas esperavam que, de forma semelhante, a inclusão da rotação em sua análise influenciasse o comportamento dos elétrons. Quando eles giraram o anel em torno de seu eixo a uma frequência de cerca de 100 gigahertz, descobriram que, embora as energias dos elétrons da borda permanecessem quase as mesmas, as energias dos elétrons de Landau mudavam e, quanto mais próximo da borda externa do anel, elétron, menor sua energia.
Onde isso pode ser aplicado?
Essa mudança no comportamento de elétrons individuais é interessante por si só, mas o que é ainda mais significativo é como ela afetou as propriedades físicas do anel como um todo. Uma delas é a magnetização, que caracteriza a resposta do sistema a um campo magnético aplicado.
Normalmente, a magnetização exibe oscilações agudas em dente de serra com amplitude constante, dependendo do campo magnético, e foi isso que os pesquisadores observaram quando o anel não estava girando. No entanto, quando a rotação foi ligada, enquanto a forma das oscilações permaneceu quase a mesma, a amplitude das oscilações diminuiu. Além disso, as oscilações se tornaram significativas em valores mais baixos do campo magnético.
Essas descobertas sobre a influência da rotação no comportamento dos elétrons e nas propriedades físicas de um anel mesoscópico são interessantes não apenas do ponto de vista científico, mas os pesquisadores acreditam que podem encontrar aplicações práticas em um futuro próximo.
Por exemplo, foi demonstrado recentemente que uma peça minúscula pode girar em altas velocidades quando irradiada com luz, e um novo sensor de tamanho nano com placa de metal rotativa também foi testado. Dada a taxa em que o campo de nano e microdispositivos está se desenvolvendo, os autores estão confiantes de que esses exemplos são apenas o começo, e seu estudo será útil para uma ampla classe de dispositivos com peças rotativas mesoscópicas.
Referências: LFC Pereira, EO Silva, Modificação dos níveis de Landau em um anel 2D devido a efeitos de rotação e estados de borda, Annalen der Physik (2023). DOI: 10.1002/andp.202200371
Crédito da imagem em destaque: geralt no Pixabay
