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Em certos nano materiais, os electrões são capazes de competir através de estradas feitas à medida, com apenas um átomo de largura. Para atingir a melhor eficiência, estes caminhos unidimensionais devem ser pavimentados com perfeição absoluta - um único átomo errante pode parar electrões corredores nas suas pistas ou até ser lançados para trás. Infelizmente, tais imperfeições são inevitáveis.

Agora, um par de cientistas do Departamento de Energia de Brookhaven, Laboratório Nacional Norte-Americano e da Universidade Ludwig Maximilian em Munique, propuseram a primeira solução para tal paragem subatómica: uma nova maneira de criar uma onda de electrão mais robusta, dobrando em conjunto a direcção do movimento do electrão e a sua rotação. O truque, como descrito num artigo publicado a 16 de Novembro na Physical Review Letters e apresentado como uma Selecção de Editor, será explorar entrelaçando a pista de electrões. A teoria poderia gerir avanços de engenharia de nanoescala para tecnologias de dados e armazenamento de energia.

'Materiais unidimensionais podem só ser muito bons condutores se forem livres de defeitos, mas nada neste mundo é perfeito,' diz o físico de brookhaven Alexei Tsvelik, um dos dois autores do artigo, 'A nossa teoria, a primeira da seu género, arranja um modo de proteger as ondas de electrões e optimizar estes materiais.'

O trabalho baseia-se num sistema-modelo denominado corrente Kondo, onde electrões que correm, interagem com momentos magnéticos locais dentro do material. Devidamente aproveitadas, esta poderosa interacção poderá permitir aos materiais comportarem-se como condutores perfeitos e oferecer alta eficiência.

Protegendo o transporte
Canais com largura atómica só permitem movimento em uma de duas direcções que se oponham: esquerda ou direita. Electrões que viajem através de um caminho tão estreito - correndo através do que é chamado de ondas de carga de densidade - podem ser facilmente revertidas por, virtualmente qualquer obstáculo.

'A onda aumenta, como qualquer tsunami electrónico, que se espera transporte electrões suavemente numa direcção,' diz Tsvelik. 'Mas acontece que este Tsunami, pode ser preso por desordem, por impurezas no material.'

Estes 'tsunamis' mudam de direcção através de um fenómeno de asfixia de condutividade chamado de 'backscattering' (deflexão de partículas) - como uma onda a quebrar contra penhascos. Mas enquanto as direcções são facilmente revertidas, outra característica do electrão é muito mais resiliente: rotação. A rotação de um electrão - como uma rotação perpétua de top quântico - pode ser só descrita como para cima ou para baixo, e é impenetrável a simples imperfeições do material. O truque, então, é ensinar a onda direccional a inclinar ou rodar como suporte.

'Como os electrões correm, eles interagem com momentos magnéticos incorporados no material - estes bolsos de magnetismo intrínseco são a chave para produzir o estado limite,' diz o físico Oleg Yevtushenko da Universidade Ludwig Maximilian, o outro colaborador do artigo. 'Os momentos magnéticos dobram a rotação e direcção ao mesmo tempo em conjunto, de modo que qualquer perturbação precisaria virar a rotação do electrão de modo a alterar a direcção.'

Estas ondas de electrões rolantes poderão ser descritas como movimentações para a direita com rotação para cima, movimentações para a esquerda e rotação para baixo, e por aí em diante. Em cada instante, a direcção é reforçada pela rotação.

Construindo uma bicicleta de electrões
Imagine-se a andar num caminho estreito, praticamente sem espaço para ambos os pés. Num tal sistema simples, girar à volta é fácil - pode-se rodar à volta do mínimo pretexto.

'Mas e se dermos uma bicicleta ao nosso peão?' pergunta Tsvelik. 'Subitamente torna-se muito difícil de dar a volta angular e mudar de direcção - especialmente num caminho tão estreito. Esta limitação de voltar a direcção é como a nossa bicicleta de electrões, mantendo-a a rodar de um modo suficientemente energético para passar ressaltos numa estrada unidimensional.'

Para verificar a eficácia deste teorética bicicleta de electrões, cientistas precisam aplicar esta teoria a testes mais rigorosos.

'Os iões magnéticos em materiais como o césium, ferro e manganês são todos excelentes candidatos para gerar e explorar estas promissoras fronteiras de estados,' diz Yevtushenko.

O processo de sintetizar materiais funcionais e unidimensionais - como um fio fino metálico ou caminhos inesperados pela química - continua a desenvolver e a empurrar ambas as teorias e industria mais para a frente. Cientistas no Laboratório de Brookhaven de Física de matéria condensada e ciência de materiais e Centro de Nanomateriais Funcionais em arquitecturas atómicas similares.

'Esperamos que os nossos colegas saltem este desafio, uma vez que este o único método proposto para melhorar a corrente nesta escala 1D,' diz Tsvelik. 'Quem sabe onde os conceitos fundamentais podem levar? A maravilha da ciência é não sabermos onde ela nos pode levar.'