Supercondutores, conhecidos por permitir condutividade elétrica sem perdas e até mesmo levitação magnética, normalmente funcionam apenas em temperaturas extremamente baixas. Pesquisas recentes identificaram o pareamento de elétrons, um comportamento supercondutor central, em materiais em temperaturas mais altas do que o esperado, como um isolante antiferromagnético.

Esta descoberta dos pesquisadores do SLAC e de Stanford pode levar a novas maneiras de desenvolver supercondutores que operam mais próximos da temperatura ambiente, potencialmente revolucionando a tecnologia em muitos campos, incluindo

“data-gt-translate-atributos=”[{[{“atributo”:”dados-cmtooltip”, “formatar”:”HTML->”}]” tabindex=”0″ role=”link”>computação quântica e transporte.

Explorando o enigma dos supercondutores

No último século, desde sua descoberta, os supercondutores e suas misteriosas propriedades atômicas deixaram os pesquisadores impressionados. Esses materiais especiais permitem que a eletricidade flua através deles sem nenhuma perda de energia. Eles até permitem que os trens levitem.

Mas supercondutores normalmente só funcionam em temperaturas extremamente baixas. Quando esses materiais são aquecidos, eles se tornam condutores comuns, que permitem que a eletricidade flua, mas com alguma energia perdida, ou isolantes, que não conduzem eletricidade de forma alguma.

Pesquisadores têm trabalhado arduamente procurando materiais supercondutores que possam realizar sua mágica em temperaturas mais altas – talvez até mesmo em temperatura ambiente algum dia. Encontrar ou construir tal material pode mudar a tecnologia moderna, de computadores e celulares à rede elétrica e transporte. Além disso, o estado quântico único dos supercondutores também os torna excelentes blocos de construção para computadores quânticos.

Descobertas revolucionárias no SLAC

Agora, pesquisadores observaram que uma característica necessária de um supercondutor – chamada pareamento de elétrons – ocorre em temperaturas muito mais altas do que se pensava anteriormente, e em um material onde menos se espera – um isolante antiferromagnético. Embora o material não tenha resistência zero, essa descoberta sugere que os pesquisadores podem ser capazes de encontrar maneiras de projetar materiais semelhantes em supercondutores que operam em temperaturas mais altas. A equipe de pesquisa do SLAC National Accelerator Laboratory, da Universidade de Stanford e de outras instituições publicou seu resultados em 15 de agosto no jornal Ciência.

“Os pares de elétrons estão nos dizendo que estão prontos para serem supercondutores, mas algo os está impedindo”, disse Ke-Jun Xu, um estudante de pós-graduação em física aplicada de Stanford e coautor do artigo. “Se pudermos encontrar um novo método para sincronizar os pares, poderemos aplicá-lo para possivelmente construir supercondutores de temperatura mais alta.”

Sincronizando elétrons para supercondutividade

Nos últimos 100 anos, pesquisadores aprenderam muito sobre como exatamente os supercondutores funcionam. Sabemos, por exemplo, que para um material ser supercondutor, os elétrons precisam se parear, e esses pares devem ser coerentes – ou seja, seus movimentos devem ser sincronizados. Se os elétrons estiverem pareados, mas incoerentes, o material pode acabar sendo um isolante.

Em supercondutores, os elétrons agem como duas pessoas reticentes em uma festa dançante. No começo, nenhuma das pessoas quer dançar com a outra. Mas então o DJ toca uma música que ambas as pessoas gostam, permitindo que elas relaxem. Elas percebem que uma a outra está gostando da música e se sentem atraídas de longe – elas formaram um par, mas ainda não se tornaram coerentes.

Então o DJ toca uma nova música, uma que ambas as pessoas adoram. De repente, as duas pessoas formam pares e começam a dançar. Logo, todos na festa dançante seguem a liderança: todos se juntam e começam a dançar a mesma nova música. Nesse ponto, a festa se torna coerente; está em um estado supercondutor.

No novo estudo, os pesquisadores observaram elétrons em um estágio intermediário, onde os elétrons tinham os olhos fixos, mas não se levantavam para dançar.

Cupratos agindo estranhamente

Pouco tempo depois que os supercondutores foram descobertos pela primeira vez, os pesquisadores descobriram que a coisa que fazia os elétrons se emparelharem e dançarem eram as vibrações no próprio material subjacente. Esse tipo de emparelhamento de elétrons acontece em uma classe de materiais conhecidos como supercondutores convencionais, que são bem compreendidos, disse Zhi-Xun Shen, um professor de Stanford e pesquisador do Instituto de Materiais e Ciências da Energia de Stanford (SIMES) no SLAC que supervisionou a pesquisa. Os supercondutores convencionais funcionam em temperaturas tipicamente próximas

“data-gt-translate-atributos=”[{[{“atributo”:”dados-cmtooltip”, “formatar”:”HTML->”}]” tabindex=”0″ role=”link”>zero absolutoabaixo de 25 Kelvin, em pressão ambiente.

Supercondutores não convencionais – como o material de óxido de cobre, ou cuprato, no estudo atual – funcionam em temperaturas significativamente mais altas, às vezes até 130 Kelvin. Em cupratos, acredita-se amplamente que algo além das vibrações da rede ajuda a parear elétrons. Embora os pesquisadores não tenham certeza do que exatamente está por trás disso, o principal candidato são os spins flutuantes dos elétrons, que fazem com que os elétrons se pareiem e dancem com um momento angular mais alto. Esse fenômeno é conhecido como canal de onda – e as primeiras indicações de um estado tão novo foram vistas em um experimento no SSRL há cerca de três décadas. Entender o que impulsiona o pareamento de elétrons em cupratos pode ajudar a projetar supercondutores que funcionam em temperaturas mais altas.

Neste projeto, os cientistas escolheram uma família de cupratos que não havia sido estudada em profundidade porque sua temperatura máxima supercondutora era relativamente baixa – 25 Kelvin – em comparação com outros cupratos. Pior ainda, a maioria dos membros desta família são bons isolantes. Para ver os detalhes atômicos do cuprato, os pesquisadores lançaram luz ultravioleta sobre amostras de material, que ejetam elétrons do material. Quando os elétrons estão ligados, eles são ligeiramente mais resistentes a serem ejetados, resultando em uma “lacuna de energia”. Essa lacuna de energia persiste até 150 Kelvin, sugerindo que os elétrons são pareados em temperaturas muito mais altas do que o estado de resistência zero em cerca de 25 Kelvin. A descoberta mais incomum deste estudo é que o pareamento é mais forte nas amostras mais isolantes.

O cuprato no estudo pode não ser o material para atingir a supercondutividade em temperatura ambiente, em torno de 300 Kelvin, disse Shen. “Mas talvez em outra família de materiais supercondutores, possamos usar esse conhecimento para dicas para chegar mais perto da temperatura ambiente”, disse ele.

“Nossas descobertas abrem um novo caminho potencialmente rico para o futuro”, disse Shen. “Planejamos estudar essa lacuna de pareamento no futuro para ajudar a projetar supercondutores usando novos métodos. Por um lado, planejamos usar abordagens experimentais semelhantes no SSRL para obter mais informações sobre esse estado de pareamento incoerente. Por outro lado, queremos encontrar maneiras de manipular esses materiais para talvez coagir esses pares incoerentes à sincronização.”

Referência: “Lacuna de estado normal anômala em um cuprato dopado com elétrons” por Ke-Jun Xu, Junfeng He, Su-Di Chen, Yu He, Sebastien N. Abadi, Costel R. Rotundu, Young S. Lee, Dong-Hui Lu, Qinda Guo, Oscar Tjernberg, Thomas P. Devereaux, Dung-Hai Lee, Makoto Hashimoto e Zhi-Xun Shen, 15 de agosto de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adk4792

Este projeto foi apoiado em parte pelo Escritório de Ciência do DOE. O SSRL é uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do DOE.