Pesquisadores da Rice University aprisionaram gás atômico
ultrafrio em grades de interseção de feixes de laser para imitar a ordem
antiferromagnética observada nos compostos precursores de quase todos os
supercondutores de alta temperatura. Crédito: P. Duarte / Rice University
Usando
átomos ultrafrios como um ‘dublê’ para os elétrons, uma equipe de físicos da Rice University simulou materiais
supercondutores e fez progressos em um problema que atormenta os físicos por
quase três décadas. Randy Hulet,
líder da equipe, disse que o trabalho poderia abrir um novo campo da ciência ainda
inexplorado.
Quase 30
anos se passaram desde que os físicos descobriram que os elétrons podem fluir
livremente através de determinados materiais supercondutores a temperaturas
relativamente elevadas. As razões para essa alta temperatura, ou a
supercondutividade ‘não convencional’ são ainda desconhecidas. Uma das teorias
mais promissoras para explicar a supercondutividade não convencional - o modelo
de Hubbard - é simples de expressar matematicamente, mas é impossível de
resolver com computadores digitais.
“O modelo de Hubbard é um conjunto de equações matemáticas que podem ser a
chave para explicar a supercondutividade de alta temperatura, mas elas são
muito complexas para resolver, mesmo com o supercomputador mais rápido”, disse Hulet. “É
aí que nós entramos.”
O
laboratório de Hulet é especializado
no resfriamento de átomos a temperaturas tão baixas que o seu comportamento é
ditado pelas regras da mecânica quântica, as mesmas regras quânticas que os
elétrons seguem quando fluem através de supercondutores.
“Usando nossos átomos frios e feixes de luz laser para imitar a estrutura
de cristal em um material real, fomos capazes de simular o modelo de Hubbard”, disse Hulet. “Quando
fizemos isso, fomos capazes de produzir antiferromagnetismo exatamente da forma
como o modelo de Hubbard prevê. Isso é emocionante porque é o primeiro sistema
atômico ultrafrio que é capaz de detectar o modelo de Hubbard, e também porque
antiferromagnetismo é conhecido por existir em quase todos os compostos
precursores de supercondutores convencionais”.
A equipe
de Hulet é uma das muitas que
estão correndo para usar sistemas atômicos ultrafrios para simular a física dos
supercondutores de alta temperatura. “Apesar de 30 anos
de esforço, as pessoas ainda têm de desenvolver uma teoria completa para
supercondutividade de alta temperatura”, disse Hulet. “Materiais
eletrônicos reais são extraordinariamente complexos, com impurezas e defeitos
de rede que são difíceis de controlar totalmente. Na verdade, tem sido tão
difícil estudar o fenômeno nestes materiais que os físicos ainda não sabem os
ingredientes essenciais que são necessários para fazer um supercondutor não
convencional ou como fazer um material que superconduza em maior temperatura”.
O sistema de Hulet imita o
material eletrônico real, mas sem defeitos de rede ou desordem.
“Acreditamos que o magnetismo desempenha um papel neste processo, e sabemos
que cada elétron nestes materiais correlaciona-se com todos os outros, de uma
forma altamente complexa”, disse ele. “Com as nossas descobertas
mais recentes, confirmamos que podemos arrefecer nosso sistema ao ponto onde
podemos simular correlações magnéticas de curto alcance entre os elétrons quando
elas começam a se desenvolver. Isso é importante porque os nossos colegas teóricos
foram capazes de usar uma técnica matemática conhecida como Monte Carlo
Quântico para verificar se os resultados correspondem ao modelo Hubbard”,
disse Hulet. “Foi um esforço heróico, e eles empurraram suas simulações de
computador, tanto quanto eles poderiam ir. De agora em diante, à medida que
ficar mais frio ainda, vamos estender os limites da física conhecida.”
Nandini Trivedi,
professora de física na Universidade do Estado de Ohio, explicou que ela e seus
colegas da Universidade da Califórnia tinham a tarefa de identificar o quão
frio os átomos tinham que ser no experimento. “Algumas
das grandes perguntas que fazemos estão relacionados com os novos tipos de
formas em que os átomos se organizam em baixas temperaturas”, disse ela.
“Ir a temperaturas tão baixas é um desafio, a teoria
ajudou a determinar a temperatura mais alta em que poderíamos esperar os átomos
ordenarem-se como as de um antiferromagneto.”
Depois da
descoberta da supercondutividade de alta temperatura na década de 1980, alguns
físicos teóricos propuseram que a física subjacente pode ser explicada com o
modelo de Hubbard, um conjunto de equações desenvolvidas na década de 1960 pelo
físico John Hubbard para descrever as propriedades magnéticas e de condução de
elétrons em metais de transição e de óxidos de metais de transição.
Cada
elétron tem um spin que se comporta como um ímã minúsculo. Os cientistas em
1950 e 1960 notaram que os spins dos elétrons em metais de transição e de
óxidos de metais de transição poderiam se alinhar em padrões ordenados. Ao
criar o seu modelo, Hubbard procurava criar o sistema mais simples possível
para explicar como os elétrons nestes materiais respondem um ao outro.
O modelo
de Hubbard apresenta elétrons que podem saltar entre sítios numa rede ordenada.
Cada local na estrutura representa um íon na rede cristalina do material, e o
comportamento dos elétrons é ditado por um pequeno número de variáveis. Em
primeiro lugar, os elétrons não são permitidos compartilhar um nível de
energia, devido a uma regra conhecida como a exclusão de Pauli. Em segundo
lugar, os elétrons se repelem e devem ‘pagar uma multa de energia’ quando ocupam
o mesmo sítio.
“O modelo de Hubbard é extremamente simples de expressar matematicamente”, disse Hulet. “Mas,
por causa da complexidade das soluções, não podemos calcular suas propriedades
para nada, mas um número muito pequeno de elétrons sobre a rede. Há
simplesmente muito emaranhamento quântico entre os graus de liberdade do
sistema.”
Os pesquisadores usaram a técnica espalhando
de Bragg para observar os planos de simetria que são característicos da ordem
antiferromagnética. Crédito: P. Duarte / Rice
University
Comportamentos
de elétrons correlacionados, como antiferromagnetismo e supercondutividade, resultam
do feedback, com a ação de cada elétron provoca uma cascata que afeta todos os
seus vizinhos. Os cálculos se tornam exponencialmente mais demorados quando o
número de sítios aumenta. Até o momento, os melhores esforços para produzir
simulações de computador de modelos de Hubbard de duas e três dimensões
envolvem sistemas com não mais do que algumas centenas de sítios.
Devido a
estas dificuldades computacionais, foi impossível determinar se o modelo de
Hubbard contém a essência da supercondutividade não convencional. Os estudos
confirmaram que as soluções do modelo mostram antiferromagnetismo, mas não se
sabe se eles também exibem a supercondutividade.
No novo
estudo, Hulet e colegas criaram
uma nova técnica experimental para resfriar os átomos em seu laboratório a
temperaturas suficientemente baixas para começar a observar a ordem
antiferromagnética em uma rede óptica com cerca de 100.000 sítios. Esta nova
técnica resulta em temperaturas na rede que são metade do que as experiências
anteriores.
“A técnica padrão é criar o gás atômico frio, carregar na rede e medir. Nós
desenvolvemos o primeiro método para arrefecimento evaporativo de átomos que já
tinha sido carregado em uma rede. Esta técnica, que utiliza aquilo que
chamamos um ‘retículo óptico compensado’, também ajudou a controlar a densidade
da amostra, o que se torna crítica para a formação da ordem antiferromagnética.”
Segundo Hulet, uma segunda inovação foi o
uso da técnica espalhamento de Bragg para observar os planos de simetria que
são característicos da ordem antiferromagnética. A equipe vai precisar desenvolver
uma técnica totalmente nova para medir as correlações do pareamento de elétrons
característicos da supercondutividade. E eles também vão precisar de amostras mais
frias, cerca de 10 vezes mais frias do que as utilizados no estudo atual.
“Temos algumas coisas em mente”, disse Hulet.
“Estou confiante de que podemos alcançar temperaturas
mais baixas tanto por refinar o que já fizemos como no desenvolvimento de novas
técnicas. Nosso objetivo imediato é obter frio o suficiente para chegar
totalmente no regime antiferromagnético, e de lá, esperamos entrar no regime de
emparelhamento onda-d e confirmar se existe ou não no modelo de Hubbard”.
