A diferença entre os supercondutores convencionais
e supercondutores que exibem pseudogap. Em supercondutores convencionais,
quando a temperatura está acima do valor crítico, a supercondutividade
desaparece devido à quebra dos pares de Cooper, mas em supercondutores que exibem
pseudogap isso acontece porque o arranjo desordenado começa a dificultar o
deslocamento dos pares de Cooper, e tornam-se localizados em uma região
particular da rede. Imagem: cortesia de MIPT
Press Service.
Os físicos Mikhail Feigel'man e Lev Ioffe explicaram o efeito incomum em um número de materiais supercondutores. Usando uma teoria que desenvolveram anteriormente, os cientistas conectaram a densidade de portadores supercondutor com as propriedades quânticas de uma substância.
No
artigo publicado pelos cientistas, eles discutem os chamados supercondutores de
pseudogap. O termo gap aparece na
teoria quântica da supercondutividade e é uma definição para a abertura
característica em um diagrama de distribuição de energia do elétron, o espectro
de energia. É feita uma distinção entre os supercondutores com um gap ‘convencional’ e supercondutores
especiais, que mesmo em seu estado normal, demonstram algo semelhante a um gap - ele é chamado de pseudogap.
Pares de elétrons e supercondutividade
A fim de entender o que é um gap, nós precisamos examinar brevemente a teoria por trás do termo. Atualmente, não existe um modelo completo que é capaz de explicar o fenômeno da supercondutividade em detalhes (e que nos permita, por exemplo, sintetizar um supercondutor capaz de funcionar à temperatura ambiente).
No
entanto, um modelo de sucesso que é o mais frequentemente usado é a teoria BCS,
que foi desenvolvida por John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer. Na
teoria BCS, um papel-chave é desempenhado por dois pares de Cooper - elétrons
ligados juntamente com spins opostos.
Estes
pares são caracterizados por uma ligação muito fraca entre as partículas, e por
outro lado, eles não interagem com a estrutura do cristal e, portanto, movem-se
livremente dentro de uma substância e não perdem energia em colisões.
Se
um metal é aquecido até uma temperatura em que o movimento térmico das
partículas não impeça a formação de pares de Cooper, estes pares podem mover-se
sem perda de energia e, assim, fazem com que todo o espécime alcance o estado
supercondutor.
A formação de pares de Cooper
altera não apenas as propriedades elétricas de uma substância, mas também a
distribuição da energia dos elétrons, o espectro de energia. O acoplamento dos
pares resulta num gap característico,
ou pseudogap dependendo das circunstâncias. Se a substância for supercondutora,
após o resfriamento até à temperatura crítica, a supercondutividade é alcançada
e ao mesmo tempo ocorre a formação dos pares de Cooper, que é chamado de gap. No entanto, se isto ocorre no
diagrama do espectro de elétrons, após o resfriamento, mas a supercondutividade
ainda não tiver sido atingida, o termo pseudogap é usado (o que significa que
não é uma diferença ‘verdadeira’, e a sua formação não está ligada ao
aparecimento de supercondutividade).
Se
esta substância é resfriada ainda mais, ela passa ao estado supercondutor e o gap no espectro aumenta, seu valor inclui
tanto o pseudogap como o próprio gap
supercondutor. As propriedades destes supercondutores são consideravelmente
diferentes daquelas exibidas pelos supercondutores convencionais.
Pseudogap em um espectro de energia real. Imagem:
Benjamin Sacepe (Neel Institute, Grenoble, França)
Supercondutores com um gap normal são bem descritos pela teoria
BCS, que conecta explicitamente os pares de Cooper com a formação do gap no diagrama de distribuição de
energia. De acordo com esta teoria, a densidade de corrente supercondutora é
diretamente proporcional à magnitude do gap
supercondutor. Mais pares de Cooper são formados por unidade
de volume quanto maior a diferença no espectro de energia, ou seja, o tamanho do
gap.
Supercondutores
com um pseudogap não se encaixam na teoria BCS, mas eles podem ser descritos
utilizando a teoria proposta anteriormente por Mikhail
Feigel'man, Lev
Ioffe e seus colegas. Neste novo trabalho, os cientistas usaram sua teoria
para calcular a dependência da densidade de corrente em supercondutores com a largura
do pseudogap.
A chave está em desordem
O estudo, a nível microscópico, da estrutura dos supercondutores que exibem pseudogap mostrou que estes materiais são fortemente desordenados. Isto significa que os seus átomos não estão dispostos em uma estrutura cristalina, ou a estrutura desta rede é fortemente prejudicada. Exemplos de supercondutores que exibem pseudogap são filmes finos de nitreto de titânio (em que a estrutura do cristal é comprometida em muitos lugares) e óxido de índio (que pode ser completamente amorfo, como o vidro).
A desordem
desempenha um papel fundamental porque a transição para um estado supercondutor
não ocorre ao mesmo tempo da formação dos pares de Cooper. Os elétrons que
estão ligados uns aos outros nestes materiais aparecem depois que a resistência
elétrica desaparece, porque inúmeras variações na estrutura microscópica da
substância a partir da ordem ideal pode impedir um par de Cooper, o qual em
cristais ordenados move-se livremente, sem interferências.
Deve-se
ressaltar que os pares de Cooper em um supercondutor que exibe pseudogap não
podem ser descritos como imóveis. Como resultado de efeitos quânticos, o seu
comportamento é um pouco mais complexo: obedecendo o princípio da incerteza,
eles não congelam imóveis em um lugar, mas “espalham-se” sobre uma grande distância
(dezenas de distâncias interatômicas), em uma região finita. Se eles pudessem
se mover, esta região iria cobrir toda a substância.
Deduzir
parâmetros elétricos de supercondutores com pseudogap a partir de propriedades
quânticas é importante tanto do ponto de vista fundamental (os cientistas estão
começando a ter uma melhor compreensão geral dos supercondutores), como
prático. Os investigadores observam que usando o óxido de índio, um
supercondutor com pseudogap típico, é possível criar um dispositivo quântico
supercondutor que pode ser utilizado como um protótipo para um computador quântico.
Tendo
em consideração o movimento de pares de Cooper em uma substância com variados
graus de desordem, os cientistas deduziram a dependência da densidade teórica
de pares de Cooper na substância com a largura do pseudogap. Esta é uma característica importante,
como é inversamente proporcional à indutância do filme (os materiais descritos
são obtidos na forma de filme) no estado supercondutor. Filmes como estes com
alta indutância e resistência zero são necessários para produzir qubits, as
unidades fundamentais de dispositivos de computação quântica.
Em
supercondutores convencionais, a dependência da densidade de pares de Cooper com
a largura do pseudogap é linear, contudo, nas
substâncias testadas a dependência é quadrática. Este fato é fácil de verificar
experimentalmente em um estudo mais detalhado, e, se isso acontecer, a teoria
desenvolvida anteriormente pelos autores receberá uma confirmação adicional.
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