Os físicos descobriram uma ligação inesperada entre o magnetismo e o pseudogap, uma fase intrigante da matéria que ocorre em alguns materiais quânticos antes de se tornarem supercondutores. Esta descoberta poderia ajudar os investigadores a desenvolver novos materiais com propriedades valiosas, incluindo supercondutividade a alta temperatura, na qual a eletricidade pode ser transmitida sem perda de energia.
A descoberta vem de experimentos usando um simulador quântico resfriado a uma temperatura logo acima do zero absoluto. À medida que o sistema arrefecia, os investigadores observaram padrões consistentes na forma como os electrões afectavam a orientação magnética dos electrões próximos. Como os elétrons podem girar para cima ou para baixo, essas interações determinam o comportamento geral do material. O trabalho, um passo importante para explicar a supercondutividade não convencional, foi possível através de uma colaboração entre físicos experimentais e teóricos do Instituto Max Planck de Óptica Quântica na Alemanha, incluindo Antoine Georges, diretor do Centro de Física Quântica Computacional (CCQ) do Instituto Flatiron da Fundação Simons, na cidade de Nova York.
A equipe internacional relata suas descobertas em Anais da Academia Nacional de Ciências.
Por que a supercondutividade permanece um mistério
A supercondutividade tem sido estudada há décadas por 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 abrangente de como surge a supercondutividade, especialmente em materiais que operam a temperaturas relativamente altas.
Em muitos supercondutores de alta temperatura, o estado supercondutor não emerge diretamente da fase metálica comum. Em vez disso, o material passa primeiro por um estágio intermediário denominado pseudogap. Durante este estágio, os elétrons se comportam de maneira incomum e há menos estados de elétrons para a corrente fluir. Portanto, a compreensão do pseudogap é amplamente considerada crucial para descobrir os mecanismos por trás da supercondutividade e melhorar as propriedades dos materiais.
Magnetismo sob pressão de doping
Quando um material contém um número normal de elétrons, esses elétrons tendem a se organizar em padrões magnéticos ordenados, chamados antiferromagnetismo. Neste arranjo, os spins dos elétrons adjacentes apontam em direções opostas, muito parecido com uma sequência esquerda-direita cuidadosamente sincronizada.
Esse padrão ordenado é destruído quando os elétrons são removidos por meio de um processo chamado dopagem. Durante anos, os cientistas acreditaram que o doping eliminava completamente a ordem magnética de longo alcance. Uma nova investigação publicada no Proceedings of the National Academy of Sciences desafia esta suposição, mostrando que a temperaturas extremamente baixas uma forma subtil de organização sobrevive a uma aparente desordem. Os experimentos foram orientados por trabalhos anteriores sobre a teoria dos pseudogap conduzidos no CCQ, que levaram a um artigo publicado na Nature em 2024. ciência.
Simulando matéria quântica com átomos ultrafrios
Para explorar este comportamento, a equipe utilizou o modelo Fermi-Hubbard, uma estrutura teórica amplamente aceita que descreve como os elétrons interagem dentro dos sólidos. 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 estão dispostos em uma rede óptica cuidadosamente controlada, criada por um laser.
Os simuladores quânticos de átomos ultrafrios permitem aos cientistas reproduzir o comportamento complexo de materiais sob condições que não são possíveis com experimentos tradicionais de estado sólido. A equipe coletou mais de 35.000 instantâneos detalhados usando um microscópio quântico de gás que pode gerar imagens de átomos individuais e detectar sua orientação magnética. As imagens capturam as posições dos átomos e suas correlações magnéticas em uma ampla faixa de temperaturas e níveis de dopagem.
“Notavelmente, simuladores de simulação quântica baseados em átomos ultrafrios agora podem ser resfriados a temperaturas onde emergem fenômenos coletivos quânticos complexos”, disse George.
O surgimento de padrões magnéticos universais
Os dados revelaram um resultado surpreendente. “Quando plotadas em relação a uma escala de temperatura específica, as correlações magnéticas seguem um único padrão universal”, explica o autor principal Thomas Chalopin do Instituto Max Planck de Óptica Quântica. “Esta escala é comparável à temperatura do pseudogap, o ponto em que o pseudogap emerge.” Isto significa que o pseudogap está intimamente relacionado com estruturas magnéticas sutis que persistem apesar de inicialmente parecerem desordenadas.
A pesquisa também mostra que as interações dos elétrons neste estado são mais complexas do que o simples emparelhamento. Em vez disso, os elétrons formam estruturas maiores e relacionadas a múltiplas partículas. Mesmo um único dopante pode perturbar a ordem magnética em uma grande área. Ao contrário de estudos anteriores que se concentraram apenas em pares de electrões, este estudo mediu as correlações de até cinco partículas de cada vez, um nível de detalhe que apenas alguns laboratórios em todo o mundo conseguem alcançar.
Revele correlações ocultas
Para os teóricos, essas descobertas 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 oculta no pseudogap, estamos a descobrir um dos mecanismos que pode estar relacionado com a supercondutividade”, explica Challopin.
Este trabalho também destaca a importância de uma estreita colaboração entre teoria e experimento. Ao combinar previsões teóricas precisas com simulações quânticas cuidadosamente controladas, os pesquisadores são capazes de descobrir padrões que de outra forma estariam ocultos.
Este esforço internacional reúne conhecimentos experimentais e teóricos, e experiências futuras visam arrefecer ainda mais o sistema, procurar outras formas de ordem e desenvolver novas formas de observar a matéria quântica de novos ângulos.
“A simulação de simulações quânticas está entrando em uma nova fase emocionante que desafia os algoritmos clássicos que desenvolvemos no CCQ”, disse Georges. “Ao mesmo tempo, esses experimentos precisam ser guiados pela teoria e por simulações clássicas. A colaboração entre teóricos e experimentalistas é mais importante do que nunca.”
