Aplicações da Supercondutividade - O skate voador da Lexus

quarta-feira, 25 de novembro de 2015

A rota para a supercondutividade de alta temperatura passa pela superfície plana (The route to high temperature superconductivity goes through the flat land)





Pesquisadores descobriram que a supercondutividade é possível mesmo em um cristal onde a massa aparente dos elétrons é infinita. O cristal é descrito como a matriz ordenada de esferas laranja e verde (átomos) na figura. Elétrons com uma massa aparente infinita também são chamados de elétrons em bandas planas. A supercondutividade pode ocorrer se as ondas de elétrons centradas em torno dos átomos individuais, se distribuem amplamente de forma que se sobreponham significativamente. Em seguida, os elétrons saltam de um átomo para outro através da região de sobreposição, e é assegurado o fluxo da supercorrente. Notavelmente, uma invariante topológica das ondas de elétrons, semelhante à torção da banda de Mobius mostrada na figura, garante que existe sobreposição das ondas de elétrons. Crédito: Universidade Aalto, Antti Paraoanu.



Um problema importante em aberto em ciência dos materiais é compreender o mecanismo subjacente à supercondutividade, e em particular, ser capaz de prever com precisão a temperatura crítica abaixo da qual a transição supercondutora ocorre. De fato, não há atualmente teorias disponíveis que podem fornecer previsões precisas para a temperatura crítica dos materiais supercondutores mais úteis. Isso é lamentável, uma vez que uma boa compreensão do mecanismo da supercondutividade é essencial se estamos interessados ​​na síntese de materiais que podem um dia alcançar a supercondutividade à temperatura ambiente, sem refrigeração.
Um avanço potencial foi recentemente apresentado por pesquisadores da Universidade Aalto. O estudo baseia-se na teoria do movimento eletrônico em cristais desenvolvida por Felix Bloch em 1928. É uma consequência interessante da mecânica quântica que um elétron que sente a carga elétrica de um conjunto ordenado de átomos (um cristal) pode mover-se livremente como se estivesse no espaço livre. No entanto, o cristal tem efeito não trivial modificando a massa aparente do elétron. Os elétrons parecem ser mais pesados ​​(ou mais leves) em um cristal do que no espaço livre, o que significa mais ou menos energia para empurrá-los e movê-los.
Este fato tem consequências muito importantes, pois os elétrons com massa aparente maior leva a temperaturas críticas maiores para a supercondutividade. O ideal para maximizar a temperatura crítica, é considerar os elétrons com massa aparente infinita ou, no jargão dos físicos, os elétrons em uma 'banda' plana. Ingenuamente poderíamos esperar que os elétrons com massa infinita seriam presos no lugar, incapaz de transportar qualquer corrente, e a propriedade essencial da supercondutividade seria perdida.
“Fiquei muito intrigado para descobrir como uma supercorrente, isto é, a corrente elétrica, pode ser transportada por elétrons em uma banda plana. Tivemos alguns indícios de que este fato é possível, mas não uma solução geral deste paradoxo”, diz Paivi Torma, professora de física da Universidade Aalto. Surpreendentemente no mundo da mecânica quântica, uma massa infinita não necessariamente impede o fluxo de corrente elétrica. A chave para este mistério é lembrar que os elétrons são objetos quânticos com ambos os recursos, onda e partícula. Os pesquisadores descobriram que a massa sozinha, que é uma propriedade de partículas, não é suficiente para caracterizar completamente elétrons em sólidos. Também precisamos de algo chamado de ‘métrica quântica’.
Uma métrica diz como as distâncias são medidas, por exemplo, a distância entre dois pontos é diferente em uma esfera do que sobre uma superfície plana. Acontece que a métrica quântica mede a propagação das ondas dos elétrons em um cristal. Essa propagação é uma propriedade tipo onda. Os elétrons com a mesma massa aparente, possivelmente infinita, podem ser associados com as ondas que são mais ou menos distribuídos no cristal, tal como medido pela métrica quântica. Quanto maior for a métrica quântica, maior a supercorrente que o supercondutor pode transportar. “Nossos resultados são muito positivos”, diz Sebastiano Peotta, “eles abrem uma nova via para engenharia de supercondutores com alta temperatura crítica. Se as nossas previsões estiverem corretas, o bom senso vai sofrer um grande golpe, mas eu estou bem com isso”.
Outra descoberta surpreendente é que a métrica quântica está intimamente relacionada a uma propriedade tipo onda ainda mais sutil dos elétrons, quantificada por um número inteiro chamado de número de Chern. O número de Chern é um exemplo de uma invariante topológica, ou seja, uma propriedade matemática de objetos que não é alterado sob uma  suave (não disruptiva) deformação arbitrária do próprio objeto. Um exemplo simples de uma invariante topológica é o número de voltas de uma fita. Em matemática, uma fita com uma única volta é chamada de banda de Mobius e é mostrada na figura. Uma volta pode ser movida para frente e para trás na fita, mas nunca removida a menos que a fita seja quebrada. O número de voltas é sempre um número inteiro.
Da mesma forma, o número de Chern só pode assumir valores inteiros e não podem ser mudados a não ser que uma alteração drástica ocorra sobre as ondas de elétrons. Se o número de Chern for diferente de zero, não é possível ‘desatar’ as ondas de elétrons centradas em átomos vizinhos do material. Como consequência, as ondas têm de se sobrepor, e é esta sobreposição finita que garante a supercondutividade, mesmo em uma banda plana. Os pesquisadores descobriram uma ligação inesperada entre supercondutividade e topologia.











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