Pela primeira vez, os investigadores visualizaram diretamente o comportamento quântico que impulsiona a supercondutividade, um estado em que os eletrões emparelhados permitem que a eletricidade flua com resistência zero a temperaturas muito baixas.
Mas o que eles viram foi surpreendente.
Em um estudo publicado em 15 de abril Carta de revisão físicaA equipe capturou imagens de átomos formando pares dentro de um gás especialmente preparado que esfriou até próximo do zero absoluto – o limite inalcançável de quão frio qualquer coisa pode ficar. Este sistema, conhecido como gás Fermi, permite aos cientistas substituir elétrons por átomos para que possam estudar a supercondutividade em um ambiente altamente controlado.
“Danças” quânticas inesperadas entre pares de partículas
Depois que os átomos foram emparelhados, os pesquisadores notaram algo incomum. A dupla não se comportou de forma independente. Em vez disso, movem-se de forma concertada, com a posição de cada par afectada pelo par vizinho – um comportamento não previsto pela teoria da supercondutividade, de 70 anos e vencedora do Prémio Nobel.
“As nossas experiências mostram que falta algo qualitativamente nesta teoria”, disse Tariq Yefsah, chefe do estudo experimental no Kastler Bruxelas, um laboratório do Centro Nacional Francês de Investigação Científica (CNRS), em Paris. Yefsah e outros físicos experimentais do CNRS colaboraram com físicos teóricos, incluindo Shiwei Zhang, do Flatiron Institute da Fundação Simmons, no novo estudo.
A descoberta acrescenta uma peça importante ao quebra-cabeça de como funciona a supercondutividade e pode ajudar a orientar os esforços para criar supercondutores à temperatura ambiente, um objetivo há muito almejado que poderia melhorar drasticamente a eficiência energética em redes elétricas e eletrônica.
O que é supercondutividade e por que ela é importante?
A supercondutividade normalmente ocorre em certos metais quando eles são resfriados a temperaturas extremamente baixas – muito mais frias do que qualquer coisa encontrada naturalmente na Terra. Quando esses materiais caem abaixo de uma temperatura crítica, sua resistência elétrica desaparece repentinamente. Isso acontece porque os elétrons formam pares que se movem juntos, muitas vezes em comparação com dançarinos sincronizados no salão de baile.
Este fenômeno foi explicado pela primeira vez na década de 1950 pelos físicos John Burdeen, Leon Cooper e John Robert Schriefer.
Limitações da teoria clássica do BCS
No entanto, a teoria BCS – que leva o nome dos seus criadores – fornece apenas uma descrição aproximada. Não pode explicar completamente todos os tipos de supercondutores ou capturar todos os aspectos do comportamento envolvido. Os cientistas há muito suspeitam que a teoria deixa de fora detalhes importantes, mas essas lacunas permanecem obscuras.
“A teoria BCS nos diz que a supercondutividade ocorre porque os elétrons têm tendência a emparelhar”, disse Zhang, cientista pesquisador sênior e líder de grupo do Centro de Física Quântica Computacional (CCQ) do Instituto Flatiron. “Mas é uma teoria aproximada e não nos diz nada sobre como os pares interagem”. De acordo com a teoria BCS, estes pares operam de forma independente, o que significa que as suas posições não devem depender uma da outra.
Novo método de imagem revela pares em interação
Para investigar esta peça que faltava, os físicos experimentais do CNRS trabalharam em estreita colaboração com os teóricos do CCQ para ver como estes pares poderiam influenciar-se mutuamente.
Usando uma técnica de imagem recentemente desenvolvida, a equipe capturou imagens detalhadas das posições dos átomos emparelhados. Eles trabalharam com um gás de átomos de lítio resfriado a apenas alguns bilionésimos de grau Celsius acima do zero absoluto. Nessas temperaturas extremas, os átomos se comportam como férmions, a mesma classe de partículas dos elétrons, que são substitutos ideais para o estudo da supercondutividade.
Os diagramas mostram que os pares de átomos não estão distribuídos aleatoriamente. Em vez disso, as suas posições estavam interligadas, com cada par mantendo uma certa distância dos outros, como um casal numa pista de dança para evitar colisões. Este comportamento revela uma camada adicional de organização não incluída na estrutura tradicional do BCS.
Uma nova visão dentro do “salão de baile” quântico.
“A teoria BCS nos dá uma visão de fora do salão de baile, onde podemos ouvir a música e ver os dançarinos saindo, mas não sabemos o que está acontecendo no salão”, diz Yefsah. “Nosso método é como levar uma câmera grande angular para dentro do salão de baile. Agora podemos ver como os dançarinos estão formando pares e prestando atenção uns nos outros, para que não se esbarrem.”
Para verificar os resultados, Zhang e seu ex-pesquisador de pós-doutorado no CCQ, Yuan-Yao He, do Instituto de Física Moderna da Northwest University, na China, realizaram simulações quânticas detalhadas do mesmo sistema. As simulações corresponderam aos dados experimentais e confirmaram o comportamento recentemente observado, incluindo o espaçamento entre os “dançarinos” emparelhados.
Implicações para futuros supercondutores
Essas descobertas aprofundam a compreensão dos cientistas sobre supercondutores e outros materiais quânticos feitos de férmions. Tais insights são essenciais para projetar materiais que possam ser supercondutores em altas temperaturas.
Na década de 1980, os pesquisadores descobriram uma classe de materiais conhecidos como supercondutores de alta temperatura, que operam em temperaturas próximas ao nitrogênio líquido – ainda frios – 196 graus Celsius (menos 321 graus Fahrenheit). No entanto, os cientistas ainda não compreendem completamente porque é que estes materiais funcionam a temperaturas relativamente elevadas.
Ao melhorar a compreensão fundamental da supercondutividade, os investigadores esperam eventualmente desenvolver materiais que funcionem às temperaturas diárias, o que poderá transformar a transmissão de energia e as tecnologias de computação.
“Ao compreender este caso simples, podemos ajustar nossas ferramentas para estudar sistemas mais complexos”, disse Zhang. “E sistemas mais complexos onde procuramos novas fases da matéria, que impulsionaram muitos avanços tecnológicos no passado.”
