Pela primeira vez, os investigadores observaram diretamente o comportamento quântico que impulsiona a supercondutividade, um estado em que pares de eletrões permitem que a corrente elétrica flua com resistência zero a temperaturas extremamente baixas.
Mas o que eles observaram foi surpreendente.
Publicado em ” Cartas de revisão físicaa equipe capturou imagens de átomos individuais formando pares em um gás especialmente preparado que foi resfriado até quase o zero absoluto – um limite nunca alcançado pela frieza de nada. Conhecido como gás Fermi, este sistema permite aos cientistas substituir elétrons por átomos para que possam estudar a supercondutividade em um ambiente altamente controlado.
Uma inesperada ‘dança’ quântica entre pares de partículas
Após emparelhar os átomos, os pesquisadores descobriram algo incomum. Os dois pares não se comportam de forma independente. Em vez disso, movem-se de forma coordenada, com a posição de cada par influenciada por pares próximos – comportamento que não foi previsto pela teoria da supercondutividade ganhadora do Prémio Nobel há 70 anos.
“As nossas experiências mostram que falta alguma coisa qualitativamente à teoria”, diz Tarik Yefsah, chefe de investigação experimental no laboratório do CNRS em Castel-Brosseur, em Paris. Yefsah e outros físicos experimentais do CNRS colaboraram com físicos teóricos no novo estudo, incluindo Zhang Shifang, do Instituto Zhang Shifang da Fundação Simons.
A descoberta acrescenta uma peça importante ao puzzle de como funciona a supercondutividade e pode ajudar a orientar os esforços para criar supercondutores à temperatura ambiente, um objectivo há muito procurado que poderia melhorar significativamente a eficiência energética das redes eléctricas e dos dispositivos electrónicos.
O que é supercondutividade e por que ela é importante
A supercondutividade normalmente ocorre quando certos metais são resfriados a temperaturas extremamente baixas – muito mais frias do que qualquer metal encontrado naturalmente na Terra. Quando esses materiais caem abaixo da temperatura crítica, sua resistência desaparece repentinamente. Isso acontece porque os elétrons formam pares que se movem juntos, normalmente em comparação com dançarinos que se movem em sincronia no salão de baile.
Este fenômeno foi explicado pela primeira vez na década de 1950 pelos físicos John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer.
Limitações da teoria clássica do BCS
No entanto, a teoria BCS – que leva o nome do seu criador – 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 faltam detalhes importantes à teoria, mas essas lacunas permanecem obscuras.
“A teoria BCS nos diz que a supercondutividade ocorre porque os elétrons têm tendência a se emparelhar”, disse Zhang, cientista pesquisador sênior e líder de grupo do Centro de Física Quântica Computacional (CCQ) do Instituto Flatiron. “Mas esta é apenas uma teoria aproximada e não nos diz nada sobre como estes dois pares interagem.” Segundo a teoria BCS, esses pares atuam de forma independente, o que significa que suas posições não devem depender uma da outra.
Novo método de imagem revela pares em interação
Para estudar esta peça que faltava, os físicos experimentais do CNRS trabalharam em estreita colaboração com os teóricos do CCQ para estudar como estes pares influenciam uns aos outros.
Usando técnicas de imagem recentemente desenvolvidas, a equipe capturou instantâneos detalhados das posições de pares de átomos. Eles usaram um gás de átomos de lítio resfriado a apenas algumas centenas de milionésimos de grau Celsius abaixo do zero absoluto. A temperaturas tão extremas, os átomos comportam-se como férmions, a mesma classe de partículas dos elétrons, tornando-os substitutos ideais para o estudo da supercondutividade.
As imagens mostram que os átomos emparelhados não são distribuídos aleatoriamente. Em vez disso, suas posições estão conectadas, com cada par mantendo uma certa distância dos outros, semelhante a casais em uma pista de dança evitando colisões. Este comportamento revela camadas organizacionais adicionais não incluídas nas estruturas tradicionais de BCS.
Uma nova perspectiva dentro do “salão de baile” quântico
“A teoria BCS nos dá uma visão externa do salão de baile, podemos ouvir a música e ver os dançarinos saindo, mas não sabemos o que está acontecendo dentro do salão de baile”, disse Yevsa. “Nossa abordagem é como usar uma câmera grande angular em um salão de baile. Agora podemos ver como os dançarinos formam pares e focam uns nos outros para não se esbarrarem.”
Para verificar esta descoberta, Zhang e seu ex-bolsista de pós-doutorado no CCQ, He Yuanyao, do Instituto de Física Moderna da Northwest University, na China, conduziram simulações quânticas detalhadas do mesmo sistema. As simulações corresponderam aos dados experimentais e confirmaram os comportamentos recentemente observados, incluindo o espaçamento entre os “dançarinos” emparelhados.
Impacto nos futuros supercondutores
Os resultados aprofundam a compreensão dos cientistas sobre supercondutores e outros materiais quânticos feitos de férmions. Insights como esse são essenciais para projetar materiais que possam superconduzir em temperaturas mais altas.
Na década de 1980, os pesquisadores descobriram uma classe de materiais chamados supercondutores de alta temperatura que operam aproximadamente à temperatura do nitrogênio líquido, mas ainda a temperaturas tão frias quanto 196 graus Celsius negativos (321 graus Fahrenheit negativos). Mesmo assim, os cientistas ainda não compreendem completamente porque é que estes materiais operam a temperaturas relativamente altas.
Ao melhorar a sua compreensão fundamental da supercondutividade, os investigadores esperam eventualmente desenvolver materiais que funcionem às temperaturas diárias, o que poderá transformar a transferência de energia e a tecnologia de computação.
“Ao compreender este caso simples, podemos ajustar nossas ferramentas para estudar sistemas mais complexos”, disse Zhang. “Sistemas mais complexos são onde procuramos novas fases da matéria, que impulsionaram muitos avanços tecnológicos no passado.”
