Um novo estudo publicado na revista científica Nature revela que uma equipe de cientistas da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, afirma ter desvendado um grande mistério relacionado ao efeito borboleta.
Mas não é o efeito borboleta que você está imaginando. Trata-se de um fenômeno teorizado pela primeira vez em 1976, conhecido como a borboleta de Hofstadter. Esse fenômeno, também chamado de padrão de borboleta quântica, foi previsto pelo físico estadunidense Douglas Hofstadter — o nome é uma homenagem ao cientista.
É um tipo de padrão fractal que surge quando elétrons interagem com um campo magnético; quando observado, ele realmente se parece com as asas de uma borboleta.
Apesar de ter sido teorizado há quase 50 anos, nenhum experimento havia conseguido observar o padrão da borboleta quântica em um material real. Pelo menos, até agora.
No estudo, os pesquisadores conseguiram identificar a borboleta de Hofstadter durante um experimento de supercondutividade em grafeno com padrão de moiré. Uma curiosidade interessante é que a descoberta aconteceu por acaso.
Durante esses testes de supercondutividade, um desalinhamento acidental acabou criando as condições perfeitas para o surgimento do padrão fractal. Os cientistas utilizaram duas camadas de grafeno organizadas em um padrão hexagonal, que possibilita a formação do efeito moiré. Foi justamente dentro desses pequenos cristais de moiré que os físicos conseguiram observar a borboleta de Hofstadter.
Isso significa que este é o primeiro estudo a registrar, de forma experimental, o padrão da borboleta quântica em um material real. Pesquisas anteriores já haviam tentado observar esse fenômeno e, embora não tenham conseguido, trouxeram diferentes perspectivas e contribuíram para o avanço do conhecimento sobre o tema.
“Esses cristais moiré forneceram um cenário ideal para observar o espectro de Hofstadter ao submeter elétrons que se moviam neles a um campo magnético. Esses materiais foram extensivamente estudados, mas até agora a autosimilaridade do espectro de energia desses elétrons permaneceu fora de alcance”, disse um dos autores do artigo, Ali Yazdani, em um comunicado oficial.
Apesar de ter sido a primeira vez que foi observada em um material real, a borboleta de Hofstadter já havia sido reproduzida na década de 1990, por meio de um dispositivo de micro-ondas com dispersores. Nos anos seguintes, foram realizados experimentos com gás de elétrons, substratos de nitreto de boro hexagonal, além de diversas simulações computacionais.
Borboleta de Hofstadter
Os fractais são comuns na natureza, comumente observados em plantas, flocos de neve, formações geológicas, entre outros. No reino quântico, eles são considerados raros, tanto que a borboleta de Hofstadter em materiais reais existia apenas na teoria até agora.
Na previsão hipotética de Douglas Hofstadter, os níveis de energia de elétrons confinados em cristais bidimensionais, sob a influência de um campo magnético, formariam um padrão fractal semelhante às asas de uma borboleta.
A recente descoberta começou em 2018, quando pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) compreenderam que elétrons confinados em materiais com cristais de moiré podem apresentar condições para a supercondutividade.
A partir desse avanço, a equipe do novo estudo passou a investigar mais a fundo o comportamento da supercondutividade nesses materiais — por isso, utilizaram o grafeno.
Durante a produção das amostras de grafeno, os pesquisadores empilharam e torceram duas folhas formadas por átomos de carbono, mas não conseguiram atingir o ângulo perfeito que planejavam para o estudo. Um padrão de moiré acabou se formando, mas de um jeito inesperado. Foi justamente isso que possibilitou a manifestação do padrão teorizado por Hofstadter.
“Desde o trabalho original de Hofstadter, houve muitos experimentos e artigos maravilhosos sobre o assunto, mas, antes do nosso trabalho, ninguém havia realmente visualizado esse lindo espectro de energia. Nossa descoberta foi basicamente um acidente”, admitiu Nuckolls. “Não pretendíamos encontrar isso”, disse um dos principais autores do artigo, Kevin Nuckolls.
Novas possibilidades quânticas
Os pesquisadores utilizaram um microscópio de varredura por tunelamento (STM) para coletar imagens dos cristais de moiré com resolução atômica. Com isso, puderam analisar os níveis de energia no material e detectar o fenômeno; inclusive, inicialmente, não foi reconhecido como a borboleta teorizada há mais de 50 anos.
Eles explicam que o STM foi essencial para o experimento, já que é um dos poucos instrumentos capazes de oferecer a sensibilidade necessária para medir a energia dos elétrons em materiais.
“O STM é uma sonda de energia direta, que nos ajuda a relacionar de volta aos cálculos originais de Hofstadter, que eram cálculos de níveis de energia. Estudos anteriores sobre a borboleta de Hofstadter foram baseados em medições de resistência elétrica que não medem energia”, disse outro coautor do artigo, Myungchul Oh.
Os autores sugerem que esse pode ter sido o motivo pelo qual estudos anteriores não conseguiram observar a borboleta de Hofstadter, pois se basearam em medições de resistência elétrica, e não diretamente na energia dos elétrons.
Por enquanto, a pesquisa não apresenta nenhum tipo de aplicação prática direta na mecânica quântica, mas pode ser fundamental para futuros estudos sobre o tema. Como a borboleta de Hofstadter revela um espectro de estados topológicos, os autores afirmam que esses estados podem ser importantes para compreender melhor as propriedades quânticas observadas.
Experimentos recentes revelaram padrões no comportamento de elétrons em materiais exóticos, que levantam hipóteses sobre novas formas de transmitir energia. Quer saber mais? Entenda como elétrons no limite podem oferecer a “energia perfeita”. Até a próxima!