Pirâmide triangular é mais simétrica que esfera - em nanoescala

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/09/2018

Estas são as proporções das integrais de transferência (que quantificam as interações de ligação química) entre os átomos que dão origem à simetria dinâmica nas estruturas em formato de pirâmide triangular (direita).[Imagem: Naoki Haruta et al. - 10.1038/s41467-018-06244-8]

Simetria

Por essa ninguém esperava: químicos japoneses descobriram que nanoestruturas em forma de tetraedro, compostas de determinados metais, têm um grau de simetria maior do que a simetria geométrica dos átomos esféricos.

Pode parecer complicado e estranho - um tetraedro ter uma simetria maior do que uma esfera - mas a descoberta tem implicações profundas.

Primeiramente, estudar a simetria, um dos conceitos mais fundamentais em física e química, pode facilitar uma compreensão mais profunda das leis que moldam nosso Universo - não é exagero afirmar que a simetria estabelece todas as leis naturais do universo físico, enquanto a supersimetria posa como uma das candidatas para superar o atual Modelo Padrão da Física.

Em segundo lugar, em um aspecto mais prático, passa a ser possível projetar nanomateriais com propriedades elétricas e magnéticas únicas e sem precedentes, para serem usados em uma futura geração de dispositivos eletrônicos, nanomateriais estes construídos a partir do controle desse novo tipo de simetria.

Nível de degenerescência

Os átomos têm naturalmente o mais alto grau de simetria geométrica, correspondendo à simetria esférica. Uma propriedade interessante que frequentemente surge da simetria é um alto grau de degenerescência, ou nível degenerado de energia, uma característica dos níveis de energia quântica em que um determinado nível de energia pode corresponder simultaneamente a dois ou mais estados diferentes em um sistema.

A degenerescência dá origem a propriedades que incluem alta condutividade e magnetismo, que são exploradas para criar novos materiais eletrônicos.

Infelizmente, dadas as limitações da simetria geométrica, não se conhece nenhuma substância que tenha um grau mais elevado de degenerescência do que os átomos esféricos.

Mas, e se as substâncias pudessem ter um tipo diferente de simetria, um tipo que levasse a um grau mais elevado de degenerescência? Como poderia tal simetria ser explicada e explorada?

Em 2011 outra equipe descobriu um novo tipo de simetria na natureza. [Imagem: Ryan Haislmaier/Gopalan Lab]

Simetria dinâmica

Naoki Haruta e seus colegas do Instituto de Tecnologia de Tóquio acabam de demonstrar justamente a existência de metais com um novo tipo de simetria.

Estruturas tetraédricas especiais "infladas" - pirâmides triangulares -, feitas de átomos de metais específicos, como zinco e magnésio, podem ter um tipo especial de simetria que emerge não das propriedades geométricas, mas das características dinâmicas do sistema quântico degenerado.

"Nós demonstramos que aglomerados realísticos de magnésio, zinco e cádmio, com uma estrutura tetraédrica específica, possuem degenerescências anômalas várias ordens de magnitude maiores do que a simetria esférica.

"Surpreendentemente, a condição de degenerescência pode ser representada como uma elegante sequência matemática de raiz quadrada envolvendo as proporções das integrais de transferência. É também impressionante que essa sequência já tenha sido descoberta por Teodoro de Cirene na Grécia antiga, independentemente da ciência dos materiais," explicou o professor Kimihisa Yamamoto.

Os estados quânticos super degenerados resultantes dessa simetria dinâmica poderão ser explorados de várias maneiras, como no projeto de novos materiais com propriedades de condutividade ou magnéticas sem precedentes, abrindo caminho para uma próxima geração de dispositivos eletrônicos, garante a equipe.

Bibliografia:

Nanomaterials design for super-degenerate electronic state beyond the limit of geometrical symmetry
Naoki Haruta, Takamasa Tsukamoto, Akiyoshi Kuzume, Tetsuya Kambe, Kimihisa Yamamoto
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 3758
DOI: 10.1038/s41467-018-06244-8