“Impressão
digital” distinguindo flutuações de spin antiferromagnéticas de flutuações de fônons no LiFeAs. Fonte: http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1402/1402.3714.pdf
Pesquisadores podem ter encontrado a
resposta para um grande desafio em física da matéria condensada: identificar o porquê
ocorre a supercondutividade ‘não convencional’. Eles isolaram uma “impressão
digital” que identifica flutuações específicas que força os elétrons em pares, tornando
o material um supercondutor de alta temperatura.
A supercondutividade
supera a repulsão que ocorre naturalmente entre os elétrons, quantificada pela
lei de Coulomb, que normalmente impede seu emparelhamento. Em supercondutores ‘convencionais’,
isto é, metais que permitem que os elétrons fluam sem resistência a
temperaturas muito próximas do zero absoluto, há bom entendimento do por que acontece
a supercondutividade. Nesse caso, o emparelhamento de elétrons é dirigido pela
troca de vibrações na estrutura cristalina do material, que se tornam
suficientemente fortes para superar a repulsão de Coulomb. Esse mecanismo só
funciona em temperaturas extremamente frias em que os elétrons se movem muito
lentamente.
Cerca de
três décadas atrás, os físicos começaram a estudar os supercondutores ‘não
convencionais’, que 'superconduzem' a temperaturas 100 vezes maior. Isso ainda não
é próximo da temperatura ambiente de nenhum lugar, mas o mecanismo do por que
isso acontece a tais temperaturas relativamente elevadas é um mistério de longa
data, e com profundas implicações para a física quântica.
Em artigo
na Nature
Physics, o princípio geralmente aceito que a equipe provou é que pequenos
jiggles (‘sacudidas’) de padrões de
spin dos elétrons, chamados de flutuações de spin, são o que fazem com que os
elétrons formem pares. Nestes supercondutores não convencionais, os elétrons
tendem a formar antiferromagnetos, o que significa que os elétrons,
visualizadas como pequenos ímãs, tendem a alinhar os polos opostos. Esta
tendência, anterior ao início do ordenamento antiferromagnético, provoca jiggles dos spins, com o sistema inteiro
querendo formar um padrão fixo.
O fato dessas
flutuações de spin poder fornecer emparelhamento de elétrons foi suspeitado
muitas vezes, mas provar tem sido um grande desafio, explicou Eun-Ah Kim, professora de física.
“Os métodos usados para metais simples como o alumínio não servem
para os supercondutores de altas temperaturas”, disse ela. Isto é particularmente verdadeiro para uma
nova classe de supercondutores convencionais à base de ferro, porque estes materiais
são os chamados sistemas de banda múltipla. Isso significa que os elétrons com
uma determinada energia pode ter vários valores diferentes do momentum com velocidades
radicalmente diferentes.
A equipe de
Kim descobriu como medir a
mudança nas energias dos elétrons em momentums particulares no sistema de multibanda
devido à influência das flutuações de spin, baseando-se em princípios como a
conservação do momentum e da energia - o mesmo princípio que se aplica para as
trajetórias de colisão de bolas de bilhar.
Através de cálculos,
eles diferenciaram com êxito a ‘impressão digital’ de flutuações de spin, que é
distinta da impressão digital de vibrações da rede que iria se manifestar em
uma medição de energia-momentum. A equipe empregou uma técnica de medição de
energia-momentum chamada quasiparticle
interference imaging, iniciada pelo grupo do professor Seamus Davis, para confirmar a
impressão digital das flutuações de spin em supercondutores de arsênico ferro-lítio.
“A abordagem que
adotamos pode levar a aplicações mais amplas e formas de confirmar a ideia”,
diz Kim. “O conceito de flutuações antiferromagnéticas
mediadoras da supercondutividade não pode ser provada rigorosamente teoricamente;
é um desafio que exige experiência e teoria trabalhando juntos”.
