Supercondutores podem detectar a matéria escura (Superconductors could detect superlight dark matter)

Um conjunto maciço de galáxias conhecidas como Abell 1689, captadas pelo Hubble. A lente gravitacional observada pelo Hubble em Abell 1689 indica a presença de matéria escura. Crédito: NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI),G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), ACS Science Team, ESA

      Muitas experiências estão atualmente à procura de matéria escura, substância invisível que os cientistas sabem que existe pelo seu efeito gravitacional sobre estrelas, galáxias e outros objetos. Na Terra, os cientistas estão usando aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider (LHC), para procurar a matéria escura. Embora os pesquisadores tenham varrido todas as suas bases de localização, esses detectores podem não ser sensíveis o suficiente para detectar a matéria escura se a massa da matéria escura for menor do que 10 GeV (10 bilhões de elétrons-volt).

       Para resolver este problema, os físicos estão trabalhando no desenvolvimento de detectores mais sensíveis. Em um novo estudo, os cientistas propuseram um novo tipo de detector feito de supercondutores. A matéria escura tem uma massa na faixa de 1 keV (1000 elétrons-volt) a 10 GeV, até um milhão de vezes mais leve do que o próton.

       “A maior importância do nosso trabalho é a capacidade potencial para detectar a matéria escura com massa entre mil a um milhão de vezes mais leve do que a massa do próton,” disse Kathryn M. Zurek, uma das principais pesquisadoras envolvidas no trabalho. “Detectores supercondutores são a única proposta para a matéria escura nesta faixa de massa”.

       Embora a maior parte da matéria escura não interaja com qualquer coisa, os cientistas assumem que ela interage com a matéria comum de alguma forma, ou então eles não poderiam detectá-la no laboratório. Mas não está claro se a matéria escura interage com os elétrons, núcleos, ambos, ou qualquer outra coisa.

       Em geral, os detectores de matéria escura são baseados no princípio de que, se uma partícula de matéria escura atingisse o detector e interagisse com ele, a colisão iria produzir outros tipos de partículas, tal como um fóton ou fônons (um quanta de vibração) numa energia específica. O material do detector é de extrema importância, pois a interação entre a matéria escura e o detector determina as propriedades específicas da partícula que é produzida. Alguns dos detectores mais sensíveis são feitos hoje em dia de xenônio líquido (detector de LZ), cristal de germânio (SuperCDMS), e outros materiais semelhantes.

       No novo estudo, os físicos mostraram que um detector de matéria escura feito de um supercondutor, tal como alumínio ultrapuro, pode ser o material mais sensível, capaz de detectar a matéria escura com uma massa de algumas centenas de keV ou menos. A sensibilidade resulta do fato de que os supercondutores possuem um band gap de zero ou muito próximo de zero. O alumínio, por exemplo, tem um pequeno gap na faixa de 0,3 MeV (0,0003 eV).

       A ideia é que uma das partículas de matéria escura que pode estar constantemente fluindo através da Terra espalhe um elétron livre no supercondutor. Em um supercondutor, os elétrons livres estão ligados em pares de Cooper com uma energia de ligação de 0,001 eV. Se uma partícula de matéria escura tem energia suficiente para promover um elétron acima do gap do material, ele vai quebrar o par de Cooper. Desta forma, o supercondutor absorve a energia da partícula de matéria escura. Em seguida, um segundo dispositivo (um calorímetro) mede a energia térmica depositada no absorvedor, proporcionando evidência direta da partícula de matéria escura.

       Os físicos preveem que melhorias razoáveis ​​na tecnologia de detector de corrente pode tornar este conceito viável no futuro próximo. Um dos maiores desafios será reduzir o ruído a partir de fontes diferentes da matéria escura, como o térmico e o ambiental. Se o detector supercondutor puder ser construído, ele irá fornecer o teste mais sensível até o momento da matéria escura e dar aos cientistas uma chance melhor de descobrir do que é feita a maior parte da matéria no universo.

Fonte1: http://phys.org/news/2016-02-superconductors-superlight-dark.html

Fonte2: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b07848

Físicos desvendam o comportamento dos supercondutores fortemente desordenados (Physicists unravel behavior of strongly disordered superconductors)

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.

Fonte1:https://mipt.ru/en/news/physicists_explain_the_unusual_behaviour_of_strongly_disordered_superconductors

Fonte2:http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.92.100509

Forte campo magnético produz um estado supercondutor exótico (Superconductor finally goes with the FFLO)

Vesna Mitrović em seu laboratório

        Um fenômeno procurado há muito que permite a supercondutividade sobreviver mesmo em campos magnéticos muito fortes, foi visto pela primeira vez por uma equipe internacional de físicos. O “estado FFLO” da supercondutividade envolve a formação de entidades quânticas exóticas conhecidas como estados ligados de Andreev. Além de proporcionar uma visão mais aprofundada da supercondutividade, a descoberta também pode aprimorar nossa compreensão da física de partículas e estrelas de nêutrons, e até mesmo melhorar os sistemas de ressonância magnética (MRI).

        Supercondutividade e magnetismo são geralmente inimigos jurados. Supercondutores expulsam fracos campos magnéticos que passam através de um condutor normal, enquanto um campo magnético forte o suficiente destrói a supercondutividade. A supercondutividade convencional ocorre quando as vibrações em uma estrutura cristalina permite que os elétrons se liguem em conjuntos formando pares de Cooper que fluem através do material sem resistência. Os elétrons em cada par têm valores opostos do momento angular de spin - um com spin-up, outro com spin-down. No entanto, um forte campo magnético direciona os spins dos elétrons num mesmo sentido, perturbando o equilíbrio, destruindo os pares de Cooper e a própria supercondutividade.

Pares de elétrons não correspondentes

Contudo, em 1964, dois pares de físicos - Peter Fulde e Richard Ferrell, ao lado de Anatoly Larkin e Yuri Ovchinnikov - previram que certos materiais devem superconduzir, mesmo na presença de campos magnéticos muito fortes. Esse estado FFLO iria ocorrer como resultado dos pares de elétrons não combinados - tendo um momento angular finito em vez de zero – reunindo-se em bandas através de todo o material, fora do qual as correntes supercondutoras ainda poderiam fluir.

Elétrons não ligados fluindo com o estado FFLO

Nos últimos 50 anos, muitos grupos têm tentado testar essa ideia experimentalmente, e alguns têm encontrado evidências indiretas do estado FFLO - principalmente pela medição das propriedades macroscópicas de supercondutores para criar diagramas de fase detalhados dos materiais. Rolf Lortz e seus colegas da Universidade de Hong Kong, por exemplo, identificaram uma nova fase entre o supercondutor e as fases normais no composto orgânico κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂, que interpretaram como sendo o estado FFLO e que, eles descobriram, impulsionou o limite magnético (campo crítico H_C) de 21 T para quase 30 T.

        No mais recente trabalho, Vesna Mitrović da Universidade Brown nos EUA, e colegas do Japão e do laboratório francês French National High Magnetic Field Laboratory (LNCMI) em Grenoble, encontraram evidências do estado FFLO em escala microscópica. A pesquisa explora o espectro de energia dos elétrons desemparelhados de um supercondutor, que têm uma energia mais elevada do que a variedade emparelhada. Este gap de energia tem um valor único ao longo de uma amostra de um supercondutor convencional, mas sua variação é prevista de uma região à outra dentro de um material na fase FFLO.

Quasepartículas supercondutoras

Mitrović e colegas observaram regiões dentro de folhas muito finas de κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂, onde o gap de energia vai a zero. Essas são regiões onde elétrons emparelhados e desemparelhados têm a mesma energia, e onde, portanto, é energicamente possível existirem elétrons desemparelhados. Estes elétrons desemparelhados são a melhor ideia de como “quasepartículas”, que existem em superposições quânticas complexas com tudo à sua volta, e, ao contrário de elétrons normais, podem superconduzir. Especificamente, os pesquisadores procuraram quasepartículas conhecidas como estados ligados de Andreev, que se assemelham a elétrons normais, cujos spins apontam na direção de um campo magnético aplicado.

        O experimento foi realizado no LNCMI, onde a ressonância magnética nuclear (RMN) foi usada para confirmar duas propriedades esperadas dos estados ligados de Andreev - e, portanto, a presença da fase de estado FFLO. A primeira, e mais importante, envolveu medir o tempo que levou para os elétrons mudarem sua rotação quando exposto a fortes campos magnéticos, uma característica que reflete o espectro de energia dos elétrons em toda a amostra. A segunda propriedade requer medidas da distribuição de spins dentro do material.

“Outros grupos têm realizado impressionante e importante trabalho, mostrando que em um alto campo magnético você entra em um novo estado”, diz Mitrović. “Mas eles não poderiam dizer com o que esse estado se parece. O objetivo do nosso trabalho foi olhar, e o que vemos é realmente muito impressionante.” Ela acrescenta que o trabalho pode vir a ser importante fora da física da matéria condensada, porque poderia ajudar os físicos de partículas identificarem uma forma de supercondutividade que envolve quarks com sabor desequilibrado, e em astrofísica poderia explicar como estrelas de nêutrons podem apresentar supercondutividade e ao mesmo tempo gerar enormes campos magnéticos.

Melhores sistemas de ressonância magnética

Lortz diz que a pesquisa fornece “um tipo diferente de importantes informações” ao obtido pelo seu grupo. Ele acrescenta que, em princípio, poderia levar à criação de ímãs supercondutores mais poderosos para sistemas de ressonância magnética porque o estado supercondutor persiste a campos mais altos. Enquanto o κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂ não é apropriado para fazer ímãs, Lortz acrescenta que a fase FFLO pode ser observada em materiais mais adequados no futuro.

Ted Forgan, da Universidade de Birmingham, que observou o estado FFLO no supercondutor CeCoIn₅, diz que os resultados são “muito convincentes”. Mas ele ressalta que a RMN, ao fornecer dados microscópicos, não mostra a variação espacial diretamente. “Talvez a técnica high-field scanning tunnelling microscopy poderia mostrar um estado espacialmente modulado”, diz ele.

A pesquisa foi publicada na revista Nature Physics.

Fonte1: http://physicsworld.com/cws/article/news/2014/oct/29/superconductor-finally-goes-with-the-fflo

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3121.html