Pesquisadores descobrem “dança-oscilante” em pares de elétrons (Researchers discover 'swing-dancing' pairs of electrons)

Linha inferior: representação de elétrons em um estado supercondutor. Os casais dançam de forma síncrona e sem perda de energia. Linha superior: elétrons dançando de forma totalmente independente no estado normal. Linha do meio: elétrons “dançam oscilando” como pares, mas não formam um estado supercondutor.

Pesquisadores liderados por Jeremy Levy descobriram que elétrons podem “dançar oscilando”. Este comportamento eletrônico pode levar potencialmente a novas famílias de dispositivos quânticos.

        Supercondutores constituem a base para dispositivos de imagem de ressonância magnética, bem como tecnologias emergentes, como computadores quânticos. No coração de todos os supercondutores está o agrupamento de elétrons em pares.

        Levy, Professor de Física e diretor do Pittsburgh Quantum Institute, descobriu uma fase onde os elétrons formam pares, mas não chegam a um estado supercondutor. A descoberta fornece novas pistas fundamentais em um mecanismo que um dia poderia ser usado para projetar um material que é supercondutor à temperatura ambiente. Tal avanço iria transformar radicalmente uma variedade de tecnologias, como trens de alta velocidade, transmissão de energia sem perdas e computadores que operam com requisitos de energia insignificantes.

        Uma maneira de entender esse novo estado é estender uma analogia articulada por J. Robert Schrieffer, que dividiu o Prêmio Nobel de Física em 1972 pela teoria (BCS) da supercondutividade. Em um supercondutor, o movimento de elétrons emparelhados é altamente coordenado, semelhante à valsa de casais na pista de dança. No estado normal ou não supercondutor, os elétrons se movem de forma independente, esbarrando uns nos outros de vez em quando e dissipando energia. O que a nova pesquisa identificou é um estado intermediário onde os elétrons formam pares, mas cada par se move de forma independente. Pode-se considerar que os pares de elétrons estão numa “dança oscilante”, onde os pares dançam de mãos dadas, mas não se movem em sincronia.

        David M. Eagles, em 1969, publicou a primeira teoria para descrever como os elétrons formam pares sem estabelecer um estado supercondutor. Guanglei Cheng, professor assistente no laboratório de Levy, descreve como a teoria foi comprovada: “A descoberta vem do avanço tecnológico para fabricar transistores supercondutores de um único elétron em uma interface de óxido - uma tecnologia que nos permite contar os elétrons e os pares, um por um. E isso é apenas o começo. Agora temos uma plataforma inovadora para estudar as fascinantes correlações elétron-elétron em dimensões nanométricas”.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40071.php

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/v521/n7551/full/nature14398.html

Supercondutividade bate recorde sob alta pressão (superconductivity record breaks under pressure)

Os cupratos até agora detém o recorde de temperatura mais elevada, mas uma nova classe de materiais pode mudar isso. (Phil Degginger / Alamy)

Por quase 30 anos, a busca de um supercondutor à temperatura ambiente tem se concentrado em materiais exóticos conhecidos como cupratos, que podem transportar correntes sem perder energia em temperaturas de até 164 K, ou -109 °C. Mas os cientistas dizem ter superado esse recorde usando uma molécula simples, o sulfeto de hidrogênio (H₂S). Quando uma pequena amostra do material é submetida a pressões próximas às do núcleo da Terra, os pesquisadores dizem que o material superconduz a 190 K (-83 °C).

        “Se o resultado for reproduzido, será muito chocante”, diz Robert Cava, químico na Universidade de Princeton. “Seria uma descoberta histórica”.

        De acordo com a teoria BCS (John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer), vibrações nos átomos de um cristal podem levar elétrons a formar “pares de Cooper”, que podem fluir através do cristal sem resistência. A teoria BCS foi desenvolvida na década de 1950, mas a maioria dos físicos acredita que ela não pode explicar a supercondutividade em cupratos, que foi descoberto em 1986, ou em ferro-pnictídeos, descobertos em 2006.

        Os cientistas esperam que a teoria BCS possa guiar a busca por outros tipos de supercondutores de alta temperatura, particularmente em materiais que contenham elementos leves como o hidrogênio. Estes geram vibrações mais rápidas que criam laços mais fortes entre os pares de elétrons.

        A recente pesquisa baseia-se na obra de Neil Ashcroft (físico da Universidade de Cornell), que estudou o potencial supercondutor de compostos de hidrogênio. Mais especificamente, ele investigou uma recente previsão teórica de físicos chineses que o sulfeto de hidrogênio deve superconduzir acima de 80 K quando exposto a uma pressão de 1,6 milhões atm. Essa alta pressão comprime os elétrons dos pares de Cooper tornando menos provável de serem destruídos por flutuações térmicas.

        Mikhail Eremets e colegas do Instituto Max Planck colocaram uma amostra de sulfeto de hidrogênio, cerca de um centésimo de milímetro de diâmetro, entre as pontas de duas bigornas de diamante e eletrodos. Em seguida, mediram a forma como a resistência elétrica do material foi alterada à medida que o sistema resfriava até próximo do zero absoluto. Eles descobriram que, sob uma pressão de 1,8 milhões de atm, a resistência cai repentinamente em torno de 190 K, o que sugere uma transição supercondutora.

Os pesquisadores atribuem essa temperatura “crítica” maior do que o esperado à repartição de ácido sulfídrico em moléculas que contêm um número relativamente maior de átomos de hidrogênio. Estas moléculas seriam supercondutoras nesta temperatura.

        Os pesquisadores relatam várias evidências para apoiar a sua reivindicação de supercondutividade de alta temperatura, incluindo a de ter visto uma temperatura de transição muito mais baixa (90 K), quando usaram deutério (mais pesado) no lugar do hidrogênio. Os átomos mais pesados, segundo eles, impediria a supercondutividade, diminuindo as vibrações de cristal.

Caso seja confirmado por outros grupos, este resultado representaria um enorme aumento na temperatura crítica obtida por meio das interações entre os elétrons e as vibrações de cristal (supercondutor convencional tipo BCS). O recorde atual é de 39 K para o MgB₂.

        Alexander Gurevich, teórico da Universidade Old Dominion, concorda que os resultados representam “um avanço significativo na investigação da supercondutividade”, mas para o momento permanece cauteloso. Ele diz que os autores ainda têm de demonstrar uma das marcas da supercondutividade, o efeito Meissner, em que um material 'expulsa' linhas do campo magnético quando esfria até o estado supercondutor. “Espero que este trabalho estimule outros grupos para reproduzir o experimento prontamente”, acrescenta.

        Quanto à utilidade prática do trabalho, Eremets e seus colegas dizem que agora será possível encontrar temperaturas críticas elevadas em outros materiais contendo hidrogênio, como fulerenos à base de carbono ou hidrocarbonetos aromáticos. Estes, dizem, podem ser transformados em supercondutores, misturando pequenas frações de outros elementos, no lugar da aplicação de alta pressão. Cava, no entanto, adverte que ainda é muito cedo para considerar possíveis aplicações. “Se uma coisa dessas poderia ocorrer em pressão ambiente para outros hidretos é uma pergunta que é melhor não especular a respeito”, diz ele.

Fonte1: http://www.nature.com/news/superconductivity-record-breaks-under-pressure-1.16552

Fonte2: http://arxiv.org/abs/1412.0460