Físicos abrem um novo caminho para uma estranha forma de supercondutividade

Os pesquisadores publicaram uma nova estrutura teórica.

Os físicos identificaram um mecanismo responsável pela criação de supercondutores oscilantes, chamados ondas de pares de densidade. Os resultados, que destacam um estado atípico de alta supercondutividade observado em certos materiais, como supercondutores de alta temperatura, foram publicados na revista Cartas de revisão física.

“Descobrimos que as estruturas conhecidas como singularidades de Van Hove podem produzir estados modificados e oscilantes de supercondutividade”, diz Louise Santos, professora assistente de física na Emory University e autora sênior do estudo. “Nosso trabalho fornece uma nova estrutura teórica para entender o surgimento desse comportamento, um fenômeno que não é bem compreendido”.

O primeiro autor do estudo é Pedro Castro, aluno de pós-graduação em física da Emory. Os co-autores são Daniel Shaffer, pós-doutorando do grupo de Santos, e Yi-Ming Wu, da Universidade de Stanford.

Santos é um cientista teórico especializado em física da matéria condensada. Ele estuda as interações da matéria quântica – pequenas coisas como átomos, fótons e elétrons – que não se comportam de acordo com as leis da física clássica.

A supercondutividade, ou a capacidade de alguns materiais de conduzir eletricidade sem perder energia quando resfriados a uma temperatura extremamente baixa, é um exemplo de comportamento quântico interessante. Esse fenômeno foi descoberto em 1911, quando o físico holandês Heike Kamerling Onnes mostrou que o mercúrio perdia sua resistência elétrica quando resfriado a 4 Kelvin, ou 371 graus negativos. F. Isso é sobre uma temperatura Uranoo planeta mais frio do sistema solar.

Os cientistas levaram até 1957 para encontrar uma explicação de como e por que a supercondutividade ocorre. Em temperaturas normais, os elétrons vagam mais ou menos independentemente. Eles colidem com outras partículas, fazendo com que mudem de velocidade e direção e dissipem energia. No entanto, em temperaturas mais baixas, os elétrons podem se organizar em um novo estado da matéria.

Louise Santos, professora assistente de física na Emory University, é a principal autora do estudo. Crédito: Universidade Emory

“Eles formam pares unidos em um estado coletivo que agem como uma entidade única”, explica Santos. “Você pode pensar neles como soldados de um exército. Se eles estão se movendo isoladamente, eles são fáceis de desviar. Mas quando eles estão caminhando juntos em um ritmo constante, é muito difícil desestabilizá-los. Esse estado coletivo carrega a corrente em uma maneira poderosa.”

A supercondutividade possui um enorme potencial. Em teoria, poderia permitir que a corrente elétrica passasse pelos fios sem aquecê-los ou perder energia. Esses fios podem transportar muito mais eletricidade e com muito mais eficiência.

“Uma das grandes virtudes da física é a supercondutividade em temperatura ambiente, que é bastante prática para aplicações cotidianas”, diz Santos. “Esta descoberta pode mudar a forma da civilização.”

Muitos físicos e engenheiros estão trabalhando nessa linha de frente para revolucionar a forma como a eletricidade é transmitida.

Enquanto isso, a supercondutividade já encontrou aplicações. As bobinas supercondutoras funcionam com a energia magnética usada em máquinas de ressonância magnética (MRI) para diagnóstico médico. Um punhado de trens de levitação magnética estão agora em operação no mundo, construídos em ímãs supercondutores dez vezes mais fortes que os eletroímãs comuns. Os ímãs se repelem quando os pólos idênticos se enfrentam, gerando um campo magnético capaz de levantar e impulsionar o trem.

O Grande Colisor de Hádrons, um acelerador de partículas que os cientistas usam para pesquisar a estrutura básica do universo, é outro exemplo de tecnologia que funciona por meio da supercondutividade.

A supercondutividade continua a ser descoberta em mais materiais, incluindo muitos que são supercondutores em temperaturas mais altas.

Um dos focos da pesquisa de Santos é como as interações entre elétrons podem levar a formas de supercondutividade que não podem ser explicadas pela descrição de supercondutividade de 1957. Um exemplo do chamado fenômeno exótico é a supercondutividade oscilante, quando pares de elétrons dançam em ondas, mudando a capacitância .

Em um projeto não relacionado, Santos pediu a Castro que investigasse certas propriedades das singularidades de van Hove, estruturas nas quais muitos estados eletrônicos se aproximam em energia. O Projeto Castro revelou que as singularidades parecem ter o tipo certo de física para semear supercondutores oscilantes.

Isso levou Santos e seus colaboradores a cavar mais fundo. Eles descobriram um mecanismo que permitiria que estados de ondas dançantes de supercondutividade surgissem das singularidades de van Hove.

“Como físicos teóricos, queremos ser capazes de prever e classificar o comportamento para entender como a natureza funciona”, diz Santos. “Então podemos começar a fazer as perguntas relevantes sobre tecnologia.”

Alguns supercondutores de alta temperatura – que operam em temperaturas três vezes mais frias do que um freezer doméstico – têm esse comportamento de onda dançante. Descobrir como esse comportamento emerge das singularidades de van Hove fornece uma base para os experimentalistas explorarem o mundo de possibilidades que ele apresenta.

“Duvido que Kamerlingh Onnes estivesse pensando em levitações ou aceleradores de partículas quando descobriu a supercondutividade”, diz Santos. “Mas tudo o que aprendemos sobre o mundo tem aplicações potenciais.”

Referência: “Emergence of the Supercharged Chern Wave and Pair Density by High-level Van Hove Singularities in the Haldane-Hubbard Model” de Pedro Castro, Daniel Schafer, Ye-Ming Wu e Louise H. Santos, 11 de julho de 2023, Disponível aqui. Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.026601

O trabalho foi financiado pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos.