Os físicos identificaram uma ligação inesperada entre o magnetismo e o pseudogap, uma fase misteriosa da matéria que aparece em alguns materiais quânticos pouco antes de se tornarem supercondutores. Esta compreensão poderá ajudar os investigadores a desenvolver novos materiais com propriedades valiosas, incluindo supercondutividade a alta temperatura, onde a eletricidade passa sem perda de energia.
A descoberta foi feita a partir de experimentos utilizando um simulador quântico resfriado a temperaturas pouco acima do zero absoluto. À medida que o sistema arrefecia, os investigadores observaram um padrão consistente de 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 representa um passo importante para explicar a supercondutividade não convencional e foi possível graças a uma colaboração entre físicos experimentais do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, e teóricos, incluindo Antoine Georges, diretor do Centro de Física Quântica Computacional (CCQ) do Instituto Flatiron da Fundação Simons, em Nova York.
A equipe internacional relatou suas descobertas em 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 transferência de energia a longa distância e computação quântica. Apesar destes esforços, os cientistas ainda não têm uma compreensão completa de como ocorre a supercondutividade, especialmente em materiais que operam a temperaturas relativamente altas.
Em muitos supercondutores de alta temperatura, o estado supercondutor não surge diretamente da fase metálica normal. Em vez disso, o material passa primeiro por um estágio intermediário conhecido como pseudoruptura. Durante esta fase, os elétrons se comportam de maneira incomum e menos estados eletrônicos estão disponíveis para a corrente fluir. Por causa disso, a compreensão do pseudogap é amplamente considerada essencial para desvendar os mecanismos de 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 um padrão magnético bem ordenado denominado antiferromagnetismo. Neste arranjo, os spins dos elétrons adjacentes apontam em direções opostas, semelhante a uma sequência cuidadosamente sincronizada da esquerda para a direita.
Este padrão ordenado é destruído quando os elétrons são removidos através de um processo conhecido como dopagem. Durante muitos anos, os cientistas acreditaram que o doping eliminava completamente a ordem magnética de longo alcance. Um novo estudo do PNAS desafia esta suposição, mostrando que a temperaturas extremamente baixas, uma forma subtil de organização sobrevive sob aparente desordem. Esses experimentos orientaram trabalhos teóricos anteriores sobre pseudodescontinuidade no CCQ, levando ao artigo de 2024. Ciência.
Simulação de matéria quântica com átomos ultrafrios
Para estudar 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 materiais reais, os pesquisadores recriaram o modelo usando átomos de lítio resfriados a bilionésimos de grau acima do zero absoluto. Esses átomos foram organizados em uma rede óptica cuidadosamente controlada criada pela luz laser.
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 detectar átomos individuais e determinar sua orientação magnética, a equipe coletou mais de 35 mil imagens detalhadas. Essas imagens capturam as posições dos átomos e suas correlações magnéticas em uma ampla faixa de temperaturas e níveis de dopagem.
“É ótimo que simuladores analógicos quânticos baseados em átomos ultrafrios possam agora ser resfriados a temperaturas onde fenômenos coletivos quânticos complexos são detectados”, diz Georges.
Um padrão magnético universal emerge
Os dados mostraram um resultado surpreendente. “As correlações magnéticas seguem um padrão único e universal quando plotadas em uma escala de temperatura específica”, explica o autor principal Thomas Shalopin do Instituto Max Planck de Óptica Quântica. “E essa escala é comparável à temperatura do pseudogap, o ponto em que o pseudogap ocorre.” Isto significa que o pseudogap está intimamente relacionado com as estruturas magnéticas subtis que persistem sob o que inicialmente parece ser uma desordem.
O estudo também mostrou que a interação dos elétrons neste modo é mais complexa do que o simples emparelhamento. Em vez disso, os elétrons formam estruturas maiores e correlacionadas com múltiplas partículas. Mesmo um único aditivo pode perturbar a ordem magnética numa área surpreendentemente ampla. Ao contrário de estudos anteriores que se concentraram apenas em pares de electrões, 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.
Descobrindo correlações ocultas
Para os teóricos, essas descobertas são 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, revelamos um dos mecanismos que pode eventualmente estar ligado à supercondutividade”, explica Shalopin.
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 conseguiram revelar padrões que de outra forma teriam permanecido ocultos.
Este esforço internacional combinou conhecimentos experimentais e teóricos, e as experiências futuras visam arrefecer ainda mais o sistema, encontrar formas adicionais de ordem e desenvolver novas formas de observar a matéria quântica de novos ângulos.
“A simulação quântica analógica está entrando em uma nova fase emocionante que desafia os algoritmos clássicos que desenvolvemos no CCQ”, diz Georges. “Ao mesmo tempo, esses experimentos requerem orientação teórica e simulações clássicas. A colaboração entre teóricos e experimentalistas é mais importante do que nunca.”
