Os físicos identificaram uma conexão inesperada entre o magnetismo e um pseudogap, uma estranha fase da matéria que aparece em alguns materiais quânticos pouco antes da supercondução. Esta visão poderia ajudar os investigadores a desenvolver novos materiais com propriedades valiosas, incluindo supercondutividade a alta temperatura, onde a eletricidade viaja sem perda de energia.
A descoberta veio de experimentos utilizando um simulador quântico resfriado em temperaturas logo acima do zero absoluto. À medida que o sistema esfriava, os pesquisadores observaram um padrão consistente de como os elétrons afetam a orientação magnética dos elétrons próximos. Como os elétrons podem girar para cima ou para baixo, essas interações moldam o comportamento geral do material. O trabalho representa um passo importante para elucidar a supercondutividade não convencional e foi possível graças a uma colaboração entre teóricos, incluindo Antoine Georges, físico experimental do Instituto Max Planck de Óptica Quântica na Alemanha e Antoine Georges, diretor do Centro de Física Quântica Computacional (CCQ) no Instituto Flatiron da Fundação Simmons, na cidade de Nova York.
A equipe internacional relatou suas descobertas Anais da Academia Nacional de Ciências.
Por que a supercondutividade continua sendo um quebra-cabeça
A supercondutividade tem sido estudada há décadas devido ao seu potencial para transformar tecnologias como transmissão de energia de longa distância e computação quântica. Apesar destes esforços, os cientistas ainda não têm uma compreensão completa de como surge a supercondutividade, especialmente em materiais que operam a temperaturas relativamente altas.
Em muitos supercondutores de alta temperatura, o estado supercondutor não surge diretamente de uma simples fase metálica. Em vez disso, o material passa primeiro por um estágio intermediário conhecido como pseudogap. Nesta fase, os elétrons se comportam de maneira incomum e menos estados eletrônicos estão disponíveis para o fluxo de corrente. Por esta razão, a compreensão do pseudogap é amplamente vista como essencial para descobrir os mecanismos por trás da supercondutividade e melhorar o desempenho do material.
Magnetização sob estresse de doping
Quando um elemento tem um número normal de elétrons, esses elétrons tendem a se organizar em um padrão magnético ordenado chamado antiferromagnetismo. Neste arranjo, os elétrons vizinhos apontam em direções opostas, como uma sequência esquerda-direita cuidadosamente sincronizada.
Esse padrão ordenado é quebrado quando os elétrons são removidos por meio de um processo conhecido como dopagem. Durante muitos anos, os cientistas acreditaram que o doping eliminava completamente a ordem magnética de longo alcance. O novo estudo do PNAS desafia esta hipótese, mostrando que a temperaturas extremamente baixas, uma forma subtil de organização sobrevive sob a aparente desordem. Esses experimentos foram orientados por trabalhos teóricos anteriores sobre pseudogaps realizados no CCQ, que resultaram em um artigo de 2024 ciência.
Simulando matéria quântica com átomos ultrafrios
Para explorar esse comportamento, a equipe de pesquisa utilizou o modelo Fermi-Hubbard, uma estrutura teórica amplamente aceita que descreve como os elétrons interagem em um sólido. Em vez de estudar o material real, os pesquisadores recriaram o modelo usando átomos de lítio resfriados a um bilionésimo de grau acima do zero absoluto. Esses átomos foram organizados em uma rede óptica cuidadosamente controlada feita de luz laser.
Os simuladores quânticos de átomos ultrafrios permitem aos cientistas reproduzir o comportamento complexo de materiais sob condições que os experimentos tradicionais de estado sólido não conseguem alcançar. Usando um microscópio quântico de gás, que pode gerar imagens de átomos individuais e detectar sua orientação magnética, a equipe coletou mais de 35.000 instantâneos detalhados. Essas imagens capturaram as posições dos átomos e suas correlações magnéticas em uma ampla faixa de temperaturas e níveis de dopagem.
“É notável que simuladores analógicos quânticos baseados em átomos ultrafrios possam agora ser resfriados a temperaturas onde fenômenos coletivos quânticos complexos são observados”, diz Georges.
Um padrão magnético universal emerge
Os dados revelaram um resultado interessante. “A correlação magnética segue um único padrão universal quando plotada em relação a uma escala de temperatura específica”, explica o autor principal Thomas Chalopin, do Instituto Max Planck de Óptica Quântica. “E esta escala é comparável à temperatura do pseudogap, o ponto em que o pseudogap aparece.” Isto significa que o pseudogap está intimamente ligado à fina estrutura magnética que continua abaixo do que inicialmente parece ser uma desordem.
O estudo também mostrou que as interações eletrônicas neste regime são mais complexas do que pares simples. Em vez disso, os elétrons formam estruturas maiores relacionadas a multipartículas. Mesmo um único dopante pode perturbar a ordem magnética numa região surpreendentemente ampla. Ao contrário de estudos anteriores que se concentraram apenas em pares de elétrons, este estudo mediu correlações envolvendo até cinco partículas simultaneamente, um nível de detalhe alcançado apenas por um pequeno número de laboratórios em todo o mundo.
Revele correlações ocultas
Para os teóricos, esses resultados fornecem uma nova referência importante para modelos de pseudogap. De forma mais ampla, os resultados aproximam os cientistas da compreensão de como a supercondutividade de alta temperatura surge do movimento coletivo de elétrons dançantes em interação. “Ao revelar a ordem magnética escondida no pseudogap, estamos a descobrir um mecanismo que pode, em última análise, estar relacionado com a supercondutividade”, explica Chalopin.
O trabalho também destaca a importância de uma estreita colaboração entre teoria e experimento. Ao combinar previsões teóricas precisas com simulações quânticas cuidadosamente controladas, os investigadores são capazes de descobrir padrões que de outra forma permaneceriam ocultos.
Este esforço internacional combina conhecimentos experimentais e teóricos, e experiências futuras visam arrefecer ainda mais o sistema, explorar formas adicionais de ordem e desenvolver novas formas de observar a matéria quântica a partir de novas perspetivas.
“As simulações quânticas analógicas estão entrando em uma fase nova e emocionante, desafiando os algoritmos clássicos que desenvolvemos no CCQ”, disse Georges. “Ao mesmo tempo, esses experimentos requerem orientação teórica e simulações clássicas. A colaboração entre teóricos e experimentalistas é mais importante do que nunca.”
