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 uma surpresa.
Em um estudo publicado em 15 de abril em Fichas de exame físicoa equipe capturou imagens de átomos individuais formando vapores dentro de um gás especialmente preparado, resfriado 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.
Uma inesperada “dança” quântica entre partículas emparelhadas
Depois que os átomos se emparelharam, os pesquisadores viram algo incomum. Os casais não se comportavam de forma independente. Em vez disso, moveram-se de forma coordenada, com a posição de cada par afetada por pares próximos – comportamento não previsto pela teoria da supercondutividade, de 70 anos, vencedora do Prémio Nobel.
“A nossa experiência mostrou que falta algo qualitativamente nesta teoria”, afirma Tariq Efsah, líder da investigação experimental, do Laboratório Kastler Brossel do Centro Nacional Francês de Investigação Científica (CNRS), em Paris. Yefsa e outros físicos experimentais do CNRS colaboraram no novo estudo com físicos teóricos, incluindo Shiwei Zhang, do Flatiron Institute da Fundação Simons.
A descoberta acrescenta uma peça importante ao quebra-cabeça de como funciona a supercondutividade e pode ajudar a criar supercondutores à temperatura ambiente, um objetivo de longa data que poderia melhorar significativamente a eficiência energética em redes elétricas e eletrônica.
O que é supercondutividade e por que ela é importante?
A supercondutividade geralmente ocorre em certos metais quando eles são resfriados a temperaturas muito baixas – muito mais frias do que qualquer coisa que ocorre naturalmente na Terra. Assim que a temperatura desses materiais cai abaixo da temperatura crítica, sua resistência elétrica desaparece repentinamente. Isso ocorre porque os elétrons formam pares que se movem juntos, muitas vezes comparados aos dançarinos que se movem em sincronia pela pista de dança.
Este fenômeno foi explicado pela primeira vez na década de 1950 pelos físicos John Bardin, Leon Cooper e John Robert Schriefer.
Limites da teoria clássica do BCS
No entanto, a teoria BCS – nomeada em homenagem aos seus criadores – fornece apenas uma descrição aproximada. Não pode explicar completamente todos os tipos de supercondutores ou cobrir todos os aspectos do comportamento. Os cientistas há muito que suspeitam que a teoria deixa de fora detalhes importantes, mas estas lacunas permanecem obscuras.
“A teoria BCS nos diz que a supercondutividade ocorre porque os elétrons tendem a se emparelhar”, diz Zhang, 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.” Segundo a teoria BCS, esses pares atuam de forma independente um do outro, ou seja, suas posições não deveriam depender um do outro.
Um novo método de imagem detecta pares em interação
Para investigar esta peça que faltava, os físicos experimentais do CNRS trabalharam em estreita colaboração com teóricos do CCQ para estudar como estes pares podem influenciar-se mutuamente.
Usando uma técnica de imagem recentemente desenvolvida, a equipe tirou fotos 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 categoria de partícula dos elétrons, tornando-os duplos ideais para o estudo da supercondutividade.
As imagens mostraram que os átomos emparelhados não estavam distribuídos aleatoriamente. Em vez disso, as suas posições estavam interligadas, com cada par mantendo uma certa distância dos outros, como casais numa pista de dança evitando colisões. Este comportamento revela um nível adicional de organização que não faz parte da estrutura tradicional do BCS.
Um novo visual dentro do salão Quantum
“A teoria BCS dá-nos uma visão do exterior do salão de baile, onde podemos ouvir a música e ver os dançarinos a sair, mas não sabemos o que se passa dentro do salão de baile”, diz Efsa. “Nossa abordagem é como uma câmera grande angular em um salão de baile. Agora podemos ver os dançarinos formando pares e prestando atenção uns nos outros para não colidirem.”
Para testar as descobertas, Zhang e seu ex-bolsista de pós-doutorado do CCQ, Yuan-Yao He, do Instituto de Física Avançada da Universidade Northwestern, na China, realizaram simulações quânticas detalhadas do mesmo sistema. A simulação combinou com os dados experimentais e confirmou o novo comportamento observado, incluindo a distância entre os “dançarinos” emparelhados.
Implicações para futuros supercondutores
Esses resultados avançam na compreensão dos cientistas sobre supercondutores e outros materiais quânticos feitos de férmions. Tais ideias são muito importantes para o desenvolvimento de materiais capazes de superconduzir em temperaturas mais elevadas.
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 frio – menos 196 graus Celsius (menos 321 graus Fahrenheit). Apesar disso, os cientistas ainda não compreendem completamente porque é que estes materiais funcionam a temperaturas comparativamente mais altas.
Ao melhorar a compreensão fundamental da supercondutividade, os investigadores esperam eventualmente desenvolver materiais que funcionem a temperaturas normais, o que poderá revolucionar a transferência de energia e as tecnologias de computação.
“Ao compreender este caso simples, podemos ajustar as nossas ferramentas para estudar sistemas mais complexos”, diz Zhang. “E em sistemas mais complexos, procuramos novas fases da matéria que levaram a muitos avanços tecnológicos no passado.”
