O segredo quântico da supercondutividade (The Quantum Secret to Superconductivity)

Em um experimento notável, os físicos demonstraram detalhes de um “ponto crítico quântico” que subjaz a supercondutividade de alta temperatura.

O sistema magnético de 90 Tesla no Laboratório Nacional de Campos Magnéticos Intensos em Toulouse, França.

       Pesquisadores do Laboratório Nacional de Campos Magnéticos Intensos em Toulouse, França, descobriram uma propriedade fundamental dos cupratos, os supercondutores mais potentes conhecidos. As descobertas fornecem uma pista importante sobre o funcionamento interno destes materiais, e pode ajudar os cientistas a compreender como eles permitem que a eletricidade flua livremente a temperaturas relativamente elevadas.

       Os cientistas usaram um ímã de 90 Teslas (um campo magnético quase dois milhões de vezes maior que o da Terra), para momentaneamente interromper a supercondutividade em sua amostra. Isto revelou detalhes da fase subjacente a partir da qual o comportamento parece surgir.

       Os cientistas descobriram uma mudança brusca no comportamento que parece ser um “ponto crítico quântico” nos cupratos, que lembra o ponto de congelamento da água. Os teóricos há muito especulam que um ponto crítico quântico pode existir, e que poderia desempenhar um papel-chave na supercondutividade, disse Andrey Chubukov, um teórico da matéria condensada da Universidade de Minnesota. “Uma coisa é dizer isso; outra coisa é medi-la”, disse Chubukov.

Amostra do óxido de ítrio bário e cobre, um material que pertence à classe dos cupratos, os mais potentes supercondutores conhecidos.

       A força motriz da supercondutividade é mais forte nos cupratos. Nestes materiais, a supercondutividade ocorre em temperaturas mais elevadas do que em outros, sugerindo que seus elétrons estão emparelhados por uma ‘cola’ diferente e mais forte. Mas os cupratos ainda devem ser resfriados abaixo de -100 °C antes de se tornarem supercondutores. A ‘cola’ deve ser ainda mais reforçada se as temperaturas operacionais dos supercondutores aumentarem. Por 30 anos os cientistas perguntam: Qual é a cola - ou, mais precisamente, a interação mecânico-quântica entre os elétrons - que causa a supercondutividade nos cupratos?

       Enquanto a detecção de um ponto crítico quântico não responder definitivamente a essa pergunta, “isso realmente esclarece a situação”, disse Subir Sachdev, um teórico da matéria condensada da Universidade de Harvard. A descoberta derruba várias propostas para a ‘cola’ responsável pelo emparelhamento dos elétrons nos cupratos. “Existem agora dois candidatos de destaque para o que está acontecendo”, disse Sachdev.

       Um dos candidatos, se confirmado, deve entrar para os livros didáticos como um fenômeno quântico completamente novo, com um exotismo que atrai muitos teóricos. Mas se for verdade a explicação convencional da supercondutividade de alta temperatura, então, os cientistas saberão identificar imediatamente a chave que deve ser acionada para reforçar o efeito. Nesse caso, na busca da supercondutividade à temperatura ambiente, o caminho à diante seria claro.

Sob a redoma

Os pesquisadores Proust Cyril, Louis Taillefer e colaboradores, desenvolveram um mapa, um diagrama de fases, que representa a mistura de diferentes fases exibidas pelos materiais quando suas propriedades são variadas. Os dois extremos do mapa são bem compreendidos: cristais puros do cuprato. No lado esquerdo do mapa, eles agem como isolantes. No lado direito os cupratos dopados com elétrons extras ou “buracos” (déficits de elétrons que se comportam como partículas de carga positiva), se comportam como metais. “A questão fundamental é: como o sistema vai de isolante a metal?”, questiona Taillefer. Os cientistas se perdem no emaranhado de fases que ocorrem em níveis intermediários de dopagem - incluindo a supercondutividade, que se eleva como uma abóbada no meio do diagrama de fase.

O diagrama de fase dos cupratos dopados com buracos.

       O mapa oferece uma pista: uma linha inclinada para cima e à esquerda por cima da abóbada da supercondutividade, dividindo duas outras fases, de maior temperatura. Estender esta linha para baixo até baixas temperaturas, e atingir a base da abóbada no seu ponto central. Teóricos já suspeitavam que a natureza deste ponto pode ser a chave para a compreensão da supercondutividade, que parece formar uma bolha em torno dele.

Quinze anos atrás, Taillefer e Proust começaram a pensar sobre como investigar esse possível ponto crítico. O problema era que as duas fases que observaram a temperaturas mais elevadas, desapareceram quando a supercondutividade surgiu. A fim de investigar o que acontece durante a transição de uma fase para outra, a equipe teve que encontrar uma maneira de parar os elétrons no cupratos a partir da formação dos pares supercondutores na vizinhança do ponto crítico.

       Para fazer isso, os cientistas precisavam de um grande ímã. Os campos magnéticos destroem a supercondutividade, exercendo forças opostas sobre os elétrons em cada par supercondutor, quebrando a sua ligação. Mas a cola de emparelhamento em um cuprato supercondutor é mais forte, sendo mais difícil de quebrar. “Nos cupratos, o campo magnético necessário para interromper a supercondutividade é muito alto”, disse Proust.

Um ímã poderoso

       Ímãs só podem ser tão fortes quanto os materiais de que são feitos, que devem suportar enormes forças mecânicas geradas por tsunamis de eletricidade.

       O ímã de 90 Tesla no LNCMI em Toulouse funciona através do carregamento de um banco de 600 capacitores que descarregam todos de uma vez em uma bobina do tamanho de uma lata de lixo. A bobina é feita de uma liga de cobre ultraforte reforçada com Zylon, uma fibra mais forte do que o Kevlar. Por cerca de 10 milissegundos, a enchente de corrente gera um campo magnético poderoso que funciona através do furo da bobina. Embora o ímã LNCMI não se iguale à potência do magneto de 100-Tesla no Los Alamos National Laboratory, “somos capazes de fazer um pulso muito longo, duas vezes mais do que em Los Alamos”, permitindo medições mais precisas, disse Jérôme Beard.

       Quando os engenheiros construíram o ímã, colaboradores da University of British Columbia prepararam as amostras do cuprato chamado óxido de ítrio bário e cobre (YBa₂Cu₃O_y). Eles doparam as amostras com quatro diferentes concentrações de buracos, abrangendo ambos os lados em torno do hipotético ponto crítico. Depois de resfriar as amostras a -223 °C e de bombardear com pulsos magnéticos, destruindo momentaneamente a supercondutividade, mediram uma propriedade do material que indica o número de buracos por átomo que estão envolvidos no transporte de eletricidade. Normalmente, esta “densidade de portadores” aumenta gradualmente em função da dopagem. Mas em um ponto crítico, seria esperada uma mudança repentina, indicando uma reorganização espontânea dos elétrons no cristal. E foi isso que os cientistas mediram: um salto repentino de seis vezes a densidade dos portadores em 19% de dopagem, o local esperado do ponto crítico.

Ponto crítico quântico

O ponto crítico nos cupratos é um “ponto crítico quântico”, ou um ponto de equilíbrio entre dois estados quânticos em competição. O estado quântico que prevalece à esquerda do ponto crítico quântico no diagrama de fases faz com que os elétrons sejam “ordenados”, ou dispostos em um padrão. O efeito quântico que domina na direita faz com que os elétrons se movimentem livremente. Mas à medida que o sistema se aproxima do ponto crítico a partir da esquerda ou da direita, a quantidade de ordem no sistema começa a flutuar, devido à concorrência entre os dois estados. São estas flutuações de ordem que supostamente dão origem à supercondutividade na vizinhança do ponto crítico quântico. A questão é: Que tipo de ordem é?

Nos últimos cinco anos, os pesquisadores suspeitavam de um tipo de ordem conhecida como ondas de densidade de carga - essencialmente, ondulações das regiões excessivamente densas e subdensas de elétrons. Mas o novo experimento, bem como as recentes descobertas indicam que a onda de densidade de carga morre em um nível de dopagem menor, muito longe à esquerda do ponto crítico quântico. Agora, duas possibilidades principais permanecem.

       A opção mais convencional, proposta no final de 1980 por David Pines, Douglas Scalapino e outros teóricos, é o antiferromagnetismo, um tipo de ordem na qual os elétrons alternam suas direções de spin em um padrão de xadrez - cima, baixo, cima, baixo etc. Flutuações neste arranjo de xadrez perto do ponto crítico quântico faz os elétrons alinharem seus spins de maneira oposta sendo atraídos um pelo outro e se emparelham, dando origem à supercondutividade. Várias observações indiretas suportam a hipótese do antiferromagnetismo. De acordo com Chubukov, porque esta ordem seria esperada para definir um ponto crítico quântico, a nova descoberta é “o elo necessário” na explicação do antiferromagnetismo.

       Mas se o antiferromagnetismo simples era a resposta, os físicos teriam desvendado o caso décadas atrás. Experimentadores há muito tentaram e não conseguiram detectar a ordem antiferromagnética na fase do canto superior esquerdo da abóbada da supercondutividade. “O problema nos cupratos é que ninguém encontra qualquer ordem de longo alcance”, disse Stephen Julian, um físico experimental da matéria condensada da Universidade de Toronto. Quando experimentadores procuram o padrão quadriculado, eles não encontram.

       Contudo, os defensores da explicação antiferromagnética apontam para a estrutura cristalina dos cupratos, que são, essencialmente, folhas bidimensionais empilhadas. Além disso, há o conhecido teorema Mermin-Wagner, o qual afirma que uma verdadeira ordem antiferromagnética de longo alcance não pode se desenvolver em materiais bidimensionais a temperaturas diferentes de zero. Em vez disso, talvez apenas manchas de ordem desenvolva, como seções de tabuleiro de xadrez, e estas não podem ser detectadas com as técnicas experimentais existentes. A ordem antiferromagnética de longo alcance se verifica apenas em temperaturas baixas, dizem os proponentes. O problema é que o antiferromagnetismo fica sobreposto pela fase que provoca – a supercondutividade - e por isso não pode ser observado.

       Nem todo mundo pensa que o teorema Mermin-Wagner é relevante. Davis destaca que a ordem antiferromagnética foi detectada em cupratos não dopados, que têm a mesma estrutura bidimensional. A falta de ordem antiferromagnética vista até agora perto do ponto crítico levou alguns pesquisadores a abandonarem essa ideia e apoiar uma teoria mais exótica apresentada por Sachdev. Ele postula uma espécie de ordem nos cupratos que não é vista em outros materiais. Nesta ordem, os elétrons formam compostos que possuem frações de rotação e carga. Sachdev afirma que remanescentes dessa ordem, a qual ele apelidou de líquido de Fermi fracionado ou estado FL*, forma o precursor da supercondutividade de alta temperatura.

       Decidir se o ponto crítico quântico recém-descoberto está associado com o antiferromagnetismo ou algo mais incomum como a FL* deverá mais uma vez exigir ímãs poderosos. Os pesquisadores experimentais já estão trabalhando em maneiras de procurar o padrão quadriculado da ordem antiferromagnética a baixas temperaturas, enquanto usa pulsos magnéticos para interromper a supercondutividade que surge lá.

       Se o antiferromagnetismo for a cola dos elétrons nos cupratos, então os teóricos deverão imediatamente determinar por que a cola é muito mais forte nestes materiais do que em outros. O estado FL*, por outro lado, iria fornecer aos teóricos um novo conjunto de indicações. De qualquer maneira, muitos estão otimistas de que estão no caminho certo para aumentar as temperaturas de operação dos supercondutores. “Eu acho que ninguém acredita num limite fundamental que impede a supercondutividade à temperatura ambiente”, disse Stephen Julian. “O tempo nos dirá. Algumas pessoas acham que será logo, enquanto outras pensam que vai demorar muito”.

Fonte1: https://www.quantamagazine.org/20160222-mega-magnet-reveals-superconductor-secret/

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature16983.html

Simulando materiais supercondutores com átomos ultrafrios (Simulating superconducting materials with ultracold atoms)

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”.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-02-simulating-superconducting-materials-ultracold-atoms.html

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/v519/n7542/full/nature14223.html

Pesquisadores traçam últimas descobertas de supercondutores à base de ferro (Scientists in China and US chart latest discoveries of iron-based superconductors)

Estrutura cristalina de diversos tipos de supercondutores à base de ferro. A = metal alcalino; Ae = alcalino terroso; Ln = lantanídeo; M = metal de transição

Em um artigo publicado no National Science Review, cientistas comentam as recentes descobertas acerca dos supercondutores à base de ferro (pnictídeos) que possuem elevadas temperaturas de transição (T_C). Eles apresentam uma visão geral das propriedades físicas, descrevem a dependência da temperatura de transição com a estrutura cristalina, a interação entre antiferromagnetismo e supercondutividade, e suas propriedades eletrônicas obtidas por espectroscopia de foto-emissão com resolução angular.

        “Tem sido um sonho obter supercondutores de alta-T_C ou à temperatura ambiente, o que pode revolucionar a transmissão de energia no mundo”, explicam os pesquisadores. Um impulso para acelerar esta pesquisa foi desencadeado pela descoberta, há quase duas décadas, de um cuprato supercondutor de alta T_C. A segunda classe de materiais de alta T_C são os supercondutores à base de ferro (pnictídeos), descobertos inicialmente em 2008. A maior T_C destes sistemas é 55 K para o SmO_1-XF_xFeAs.

        Até agora foram descobertas muitas famílias de pnictídeos supercondutores. “Estudar suas propriedades tem sido uma das principais atividades em física da matéria condensada nos últimos anos”, afirmam os autores do estudo.

        Várias técnicas novas e poderosas como espectroscopia de foto-emissão com resolução angular, microscopia de tunelamento, difração de nêutrons, ressonância magnética nuclear etc. foram aplicadas para examinar as propriedades dos novos compostos.

        Os pnictídeos possuem muitas características em comum com os cupratos. Ambos são supercondutores não convencionais no sentido de que fônons não desempenham papel dominante na supercondutividade. Ambos são quase-2D, e sua supercondutividade está na proximidade do antiferromagnetismo. Nos cupratos, a física de baixa energia é descrita por uma única banda, enquanto nos pnictídeos, existem múltiplos orbitais envolvidos. No entanto, alguns aspectos dos cupratos permanecem controversos. Aprofundar o conhecimento dos pnictídeos pode ampliar a compreensão da supercondutividade não convencional e fornecer uma nova rota para encontrar supercondutores a temperaturas mais elevadas. Mapeando avanços recentes, os autores descrevem a estrutura cristalina, a interação entre magnetismo e supercondutividade e a estrutura eletrônica de pnictídeos. No artigo, também são revisadas teorias vigentes sobre a supercondutividade.

Pnictídeos supercondutores estão próximos do antiferromagnetismo (AF), o que sugere que as flutuações de AF são responsáveis ​​pela supercondutividade. Investigar o mecanismo da supercondutividade deve priorizar, em parte, a causa do emparelhamento de elétrons. A descrição teórica da supercondutividade em cupratos e pnictídeos continua a ser um grande desafio. Pnictídeos são materiais multi-banda. Todos os cinco orbitais 3d do Fe hibridizam fortemente com os orbitais 4p do Se e têm contribuição de elétrons condutores itinerantes e localizados.

        Cientistas ainda estão tentando desenvolver uma imagem física clara com ferramentas teóricas confiáveis ​​para tratar um sistema eletrônico com forte acoplamento entre elétrons itinerantes e localizados. É igualmente importante conceber medidas experimentais que poderiam resolver uma série de problemas-chave, que por sua vez poderiam testar teorias sobre a supercondutividade em pnictídeos. Segundo os pesquisadores, “os progressos alcançados nos estudos do mecanismo da supercondutividade em pnictídeos poderiam ter um forte impacto sobre a teoria de sistemas quânticos fortemente correlacionados”.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-01-scientists-china-latest-discoveries-iron-based.html

Fonte2: http://nsr.oxfordjournals.org/content/early/2014/07/03/nsr.nwu007.full

Aspersão de spin em um supercondutor (sprinkling spin physics onto a superconductor)

Interações antiferromagnéticas spin-spin são mediadas e ampliadas pelos elétrons em um supercondutor. (Ilustração: S. Kelley/E.Edwards)

        Pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI) em colaboração com físicos de Harvard e Yale, vem estudando os efeitos da incorporação de spins na superfície de um supercondutor. Em um trabalho publicado recentemente no Physical Review Letters (“Enhanced Antiferromagnetic Exchange between Magnetic Impurities in a Superconducting Host”), eles demonstraram que os spins podem interagir de forma diferente do que se pensava. Esta plataforma híbrida poderia ser útil para simulações quânticas de complexos sistemas de spin, tendo a particularidade de que as interações podem ser controladas, algo bastante incomum para a maioria dos sistemas da matéria condensada.

O sistema quântico clássico conhecido como spin pode ser realizado em diferentes plataformas físicas. Devido aos avanços na fabricação e criação de imagens, impurezas magnéticas embutidas em um substrato surgiram como uma perspectiva interessante para o estudo da física de spin. O 'spin' está relacionado ao momento angular intrínseco de uma partícula. O interessante é que, embora o conceito seja abstrato, inúmeros efeitos na natureza, tais como magnetismo, são mapeados em modelos matemáticos de spin.

Um único spin é útil, mas a maioria das aplicações práticas e estudos de fenômenos complexos exigem controle de muitos spins interagentes. Por si só, os spins irão interagir uns com os outros, com a força da interação desaparecendo quando eles são separados. Nos experimentos, os físicos, muitas vezes utilizam técnicas como lasers e / ou campos magnéticos, para controlar e modificar a interação entre os spins. Embora possível em sistemas atômicos, controlar interações entre spins não tem sido fácil ou mesmo possível na maioria dos sistemas do estado sólido.

      Em princípio, a melhor forma de melhorar a comunicação entre os spins nos materiais é usar como intermediários os elétrons livres. Elétrons livres são fáceis de encontrar em condutores, mas do ponto de vista da física quântica, estes materiais são ‘sujos’ e ‘barulhentos’. Aqui, elétrons fluem em volta sendo espalhados por incontáveis átomos criando rupturas e mascarando os efeitos quânticos. Uma maneira de contornar este obstáculo é colocar os spins em um substrato supercondutor, que é um ambiente quântico tranquilo, intocado.

Por que os supercondutores são anfitriões limpos para spins? Considere a estrutura de banda destes sistemas. A estrutura de banda descreve o comportamento dos elétrons em sólidos. Dentro de átomos isolados, os elétrons ocupam níveis discretos de energias, separados por regiões proibidas. Num sólido, os átomos estão dispostos num padrão de repetição em que devido à proximidade, seus elétrons são efetivamente compartilhados. O diagrama de níveis de energia em um sólido consiste não em níveis discretos, mas bandas que representam quase um contínuo de valores de energia. Em um sólido, elétrons normalmente ocupam os níveis mais baixos de energia.

Em condutores, o próximo nível de energia acima do mais alto preenchido, é próximo o suficiente para permitir transições, facilitando o fluxo de elétrons na forma de corrente. Nesse esquema de nível de energia, onde se encaixam os supercondutores? Nos supercondutores, o aparecimento da resistividade zero é uma transição de fase. Quando alguns materiais são resfriados, os elétrons começam a interagir, mesmo em grandes distâncias, através de vibrações no cristal chamadas fônons. Isso é chamado de “par de Cooper.” Os pares, apesar de relativamente fracos, exigem certa quantidade de energia para quebrar, que se traduz em um gap na estrutura de banda formada entre o estado supercondutor de menor energia e o superior de maior energia (não supercondutor). Em certo sentido, o estado supercondutor é um ambiente quântico isolado do barulho do estado de condução normal.

        Nesta pesquisa, os cientistas consideram o que acontece com as interações spin-spin quando os spins são incorporados em um supercondutor. Geralmente, quando os spins são separados por uma quantidade maior do que o chamado comprimento de coerência, eles interagem fracamente antiferromagneticamente (orientação de spin alternada). Acontece que quando os spins estão mais próximos, suas interações são mais complexas do que se pensava, e tem o potencial de ser ajustável. A equipe de pesquisa corrige a teoria existente que diz que as interações spin-spin oscilam entre ferromagnéticas (todos os spins com a mesma orientação) e antiferromagnéticas. Este tipo de interação é válida para condutores comuns, mas não quando o substrato é um supercondutor.

O que está acontecendo é que, semelhante aos semicondutores, as impurezas magnéticas de spin afetam a estrutura de banda. Os spins induzem o que é chamado estado Shiba, os quais permitem níveis de energia dentro do gap supercondutor. Isto significa que existe uma forma de quebrar pares de elétrons supercondutores fazendo-os ocupar níveis mais elevados, estados de energia não supercondutores.

Para este trabalho, o ponto chave é que quando dois spins muito próximos são anti-alinhados, seus estados de Shiba se misturam para reforçar a interação antiferromagnética. Uma característica interessante deste resultado é que a quantidade de mistura, a força efetiva da interação, pode ser ajustada mudando a energia relativa dos estados de Shiba em torno da região do gap. A equipe descobriu que, quando os estados de Shiba estão no meio do gap supercondutor, a interação antiferromagnética entre spins domina.

Autor e teórico Jay Sau explica a promessa desta plataforma: “O que este sistema spin-supercondutor fornece é a capacidade de conectar vários sistemas quânticos juntos em uma interação definitiva. Aqui você pode, potencialmente, colocar um monte de átomos de impureza em uma pequena região do supercondutor e todos eles vão interagir antiferromagneticamente. Esta é a situação ideal para a formação de estados de spin exóticos.”

       Matrizes de spins com interações controláveis ​​são difíceis de obter em laboratório e, quando combinada com a capacidade de gerar imagens individuais de impurezas de spin via microscopia de varredura por tunelamento (STM), esta plataforma híbrida pode abrir novas possibilidades para o estudo de fenômenos quânticos interagentes complexos.

      Da perspectiva de Sal: “Estamos na fase em que nossa compreensão dos eventos quânticas de muitos corpos é tão ruim que não queremos simular um material específico. Se nós apenas começamos a gerar exemplos mais complicados de sistemas quânticos que não entendemos, então já fizemos progresso.”

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=37158.php

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.087202