doi.org/10.1126/science.adk4792
Credibilidade: 989
#Supercondutividade
Os supercondutores, conhecidos por permitirem 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 essencial, em materiais em temperaturas mais altas do que o esperado, como um isolante antiferromagnético.
Esta descoberta dos pesquisadores do SLAC e Stanford pode levar a novas maneiras de desenvolver supercondutores que operam mais perto da temperatura ambiente, potencialmente revolucionando a tecnologia em muitos campos, incluindo 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 os supercondutores normalmente funcionam apenas 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.
Os pesquisadores têm trabalhado arduamente procurando materiais supercondutores que possam realizar sua mágica em temperaturas mais altas – talvez até mesmo na temperatura ambiente algum dia. Encontrar ou construir tal material poderia 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 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 seus resultados em 15 de agosto no periódico Science.
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 superconduzir, os elétrons precisam formar pares, 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 de dança. No início, nenhuma das pessoas quer dançar com a outra. Mas então o DJ toca uma música que ambas as pessoas gostam, permitindo que relaxem. Eles percebem que um ao outro está gostando da música e se sentem atraídos de longe – eles formaram pares, 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 sua liderança: todos se juntam e começam a dançar a mesma nova melodia. 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 olhos travados, mas não estavam se levantando para dançar.
Cupratos agindo estranhamente
Pouco tempo depois que os supercondutores foram descobertos, os pesquisadores descobriram que o 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, professor de Stanford e pesquisador do Instituto Stanford de Ciências de Materiais e Energia (SIMES) no SLAC que supervisionou a pesquisa. Os supercondutores convencionais funcionam em temperaturas tipicamente próximas do zero absoluto, abaixo de 25 Kelvin, na pressão ambiente.
Os 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. Nos cupratos, acredita-se amplamente que algo além das vibrações da rede ajuda a emparelhar os 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 emparelhem 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 dessa 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 obter dicas para chegar mais perto da temperatura ambiente,” ele disse.
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 em sincronização.-
Publicado em 24/08/2024 21h02
Artigo original:
- https://scitechdaily.com/quantum-leap-in-superconductivity-as-electrons-pair-at-higher-temperatures/
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