Supercondutor à temperatura ambiente é mesmo possível

Pulsos ultracurtos de laser permitiram tirar fotografias da estrutura eletrônica do material conforme ele retornava de uma fase de não-equilíbrio. [Imagem: Pixabay]

Laser revelador

       Um experimento com raios laser pulsados, usados em pesquisas de materiais, revelou algo com que o mundo da tecnologia sonha há muito tempo: supercondutores que funcionam a temperatura ambiente são mesmo possíveis.

       A revelação veio quando um composto cerâmico de cobre, oxigênio e bismuto foi analisado por Simone Peli, da Universidade Católica do Sagrado Coração, na Itália.

       Usando as fontes de raio laser pulsado do laboratório SISSA, Simone e seus colegas conseguiram identificar a condição exata em que os elétrons no material não se repelem mutuamente, o que é essencial para que a eletricidade flua sem resistência.

       A novidade é que tudo ocorreu a temperatura ambiente, e não nas temperaturas criogênicas necessárias para que a supercondutividade se manifeste nos materiais usados hoje em máquinas de exames médicos ou em laboratórios como o LHC.

Supercondutor a temperatura ambiente

       A equipe se concentrou em um supercondutor específico, que tem propriedades físicas e químicas altamente complexas, sendo composto por quatro tipos diferentes de átomos, incluindo cobre e oxigênio - ele pertence à família dos cupratos.

       “Usando um pulso de laser, nós tiramos o material do seu estado de equilíbrio. Um segundo pulso, ultracurto, então nos permitiu desembaraçar os componentes que caracterizam a interação entre os elétrons enquanto o material estava retornando ao equilíbrio. Metaforicamente, foi como tirar uma série de fotografias das diferentes propriedades desse material em momentos diferentes,” escreveu a equipe em seu artigo.

       Por meio desta abordagem, Simone e seus colegas descobriram que “neste material, a repulsão entre os elétrons e, portanto, suas propriedades isolantes, desaparece mesmo a temperatura ambiente. É uma observação muito interessante, pois este é o pré-requisito essencial para transformar um material em um supercondutor.”

O desafio agora é ir mudando cuidadosamente a estrutura química do material - sua receita - até conseguir que a supercondutividade se manifeste a temperatura ambiente. [Imagem: Simone Peli et al. - 10.1038/nphys4112]

Impactos ambientais positivos

       Tendo descoberto que os pré-requisitos para a fabricação de um supercondutor à temperatura ambiente de fato existem, a equipe acredita que agora será uma questão de calibrar os ingredientes que formam o material para obter um supercondutor a temperatura ambiente.

       “Poderemos usar este material como um ponto de partida e mudar sua composição química, por exemplo,” explicaram os pesquisadores.

       Quando conseguirem isto - além de ficarem todos milionários - eles estarão lançando as bases de uma verdadeira revolução industrial, mudando toda a infraestrutura energética, o que incluirá uma drástica redução no consumo de energia, com enormes impactos ambientais positivos.

Bibliografia:

Mottness at finite doping and charge instabilities in cuprates. Simone Peli, S. Dal Conte, R. Comin, N. Nembrini, A. Ronchi, P. Abrami, F. Banfi, G. Ferrini, D. Brida, S. Lupi, M. Fabrizio, A. Damascelli, M. Capone, G. Cerullo, C. Giannetti. Nature Physics. DOI: 10.1038/nphys4112.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutor-temperatura-ambiente-mesmo-possivel&id=010115170522&ebol=sim

Físicos manipulam vórtices de Abrikosov

Os vórtices distribuídos aleatoriamente na amostra supercondutora (esquerda) foram reposicionados em um padrão formando as letras “AV”, que significa ‘Abrikosov vórtices’ (à direita). Crédito: Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT)

Um grupo de nanofotônica liderado pelo Prof. Brahim Lounis da Universidade de Bordeaux, incluindo cientistas do MIPT, realizou uma experiência única envolvendo a manipulação óptica de vórtices individuais de Abrikosov em um supercondutor. No artigo publicado na Nature Communications, os cientistas mencionam a possibilidade de projetar novas unidades lógicas baseadas em princípios quânticos para uso em supercomputadores.

Quando um material transita para o estado supercondutor, os campos de fluxo magnético são expulsos do seu volume. Um supercondutor tem todas as linhas de campo magnético ejetadas do seu interior ou permite a penetração parcial do campo magnético. O fenômeno da penetração parcial foi explicado em 1957 por Alexei Abrikosov, pelo qual recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2003. Um material que não exibe uma expulsão completa do campo magnético é referido como um supercondutor tipo II. Abrikosov também demonstrou que esses supercondutores só podem ser penetrados por unidades de fluxo magnético discreto, um quantum de fluxo magnético de cada vez. Como o campo dentro de um supercondutor cresce mais forte, dá origem aos loops de corrente cilíndrica conhecidos como vórtices Abrikosov.

“Os supercondutores dtipo II são usados ​​em várias aplicações, desde a medicina até a energia e outras indústrias, e suas propriedades são determinadas pela ‘matéria de vórtice’, o que torna a pesquisa de vórtices e encontrar maneiras de manipulá-los muito importantes para a física moderna”, diz Ivan Veshchunov, um dos autores do estudo e pesquisador do Laboratório de Fenômenos Quânticos Topológicos em Sistemas Supercondutores do MIPT.

Para manipular os vórtices de Abrikosov, os cientistas usaram um feixe de laser focalizado. Este tipo de controle óptico de vórtice é possível pela tendência dos vórtices serem atraídos para as regiões de temperatura mais elevada num supercondutor (neste caso, um filme de nióbio resfriado a -268ºC). Os hotspots (‘pontos quentes’) necessários podem ser criados pelo aquecimento do material com um laser. No entanto, é crucial definir a potência correta do laser, uma vez que o aquecimento do material destrói suas propriedades supercondutoras.

Como os vórtices atuam como quanta de fluxo magnético, eles podem ser usados ​​para moldar o perfil de fluxo magnético geral, permitindo que os físicos realizem várias experiências com supercondutores. Enquanto uma rede de vórtices triangular ocorre naturalmente em certos campos magnéticos, outros tipos de redes (e dispositivos como lentes de vórtice) podem ser criados movendo vórtices ao redor.

O método de manipulação de vórtices no estudo pode ser usado na computação quântica para o desenvolvimento de elementos lógicos quânticos de fluxo único (RSFQ), controlados opticamente. Esta tecnologia é vista como promissora para o projeto de memória super-rápida para computadores quânticos. Os elementos lógicos baseados em RSFQ já são usados ​​em conversores digital-analógico e analógico-digital, magnetômetros de alta precisão e células de memória. Vários protótipos de computadores baseados nessa tecnologia foram desenvolvidos, incluindo o FLUX-1 projetado por uma equipe de engenheiros dos EUA. No entanto, os elementos lógicos RSFQ nestes computadores são em grande parte controlados por impulsos elétricos. A lógica controlada opticamente é uma tendência emergente nos sistemas supercondutores.

As experiências realizadas pelos cientistas poderiam ser aplicadas em pesquisas futuras sobre os vórtices de Abrikosov. Os físicos ainda têm de investigar os detalhes de como o aumento da temperatura age para ‘soltar’ os vórtices de seus locais e colocá-los em movimento. Mais pesquisas sobre a dinâmica de vórtices em estruturas de Abrikosov provavelmente seguirão. Esta linha de pesquisa é fundamental para a compreensão da física dos supercondutores, bem como para avaliar as perspectivas de novos tipos de componentes de microeletrônica.

Fonte1: http://phys.org/news/2016-11-physicists-abrikosov-vortices.html

Fonte2: http://www.nature.com/articles/ncomms12801

Supercondutividade induzida por laser (Superconductivity: footballs with no resistance)

Laser intenso remove a resistência elétrica de uma camada do cristal de K₃C₆₀, uma molécula contendo 60 átomos de carbono semelhante à bola de futebol. Isto é observado a temperaturas de -170 °C. © J. M. Harms

Físicos do Instituto Max Planck usaram pulsos de laser no K₃C₆₀, e por uma fração de segundo, observaram o estado supercondutor acima de 100 K, cerca de -170 °C. Como fulerenos têm uma estrutura química relativamente simples, os pesquisadores esperam ser capazes de obter uma melhor compreensão do fenômeno da supercondutividade induzida por luz através de suas novas experiências. Esses insights podem ajudar no desenvolvimento de um material que conduz eletricidade à temperatura ambiente, sem perdas e sem excitação óptica.

Andrea Cavalleri e seus colegas pretendem preparar o caminho para o desenvolvimento de materiais supercondutores à temperatura ambiente. Sua observação de que os fulerenos, quando excitados com pulsos de laser tornam-se supercondutores, leva a um passo mais perto de alcançar este objetivo. Esta descoberta pode contribuir para uma compreensão mais profunda da supercondutividade induzida por luz, uma vez que é mais fácil formular uma explicação teórica para os fulerenos do que para os cupratos. Uma explicação completa deste efeito pode, por sua vez, ajudar os cientistas a terem uma melhor compreensão da supercondutividade de alta temperatura e fornecer uma receita para um supercondutor artificial à temperatura ambiente.

Em 2013, pesquisadores do grupo de Andrea Cavalleri demonstraram que, sob certas condições, pode ser possível um material ser supercondutor à temperatura ambiente. Um óxido cerâmico que pertence à família dos cupratos se tornou supercondutor sem qualquer resfriamento durante alguns trilionésimos de segundo quando os cientistas usaram um pulso de laser infravermelho. Um ano mais tarde, cientistas em Hamburgo apresentaram uma possível explicação para este efeito.

Eles observaram que, na sequência de excitação com o flash de luz, os átomos mudam de posição. Esta mudança persiste no estado supercondutor. Em termos gerais, a mudança de posição induzida pela luz na estrutura abre caminho para que os elétrons se movam através da cerâmica sem perdas. No entanto, a explicação é muito dependente da estrutura cristalina altamente específica dos cupratos. Como o processo foi entendido na época, poderia ter envolvido um fenômeno que só surge neste tipo de materiais.

A equipe comandada por Cavalleri, se perguntou se a luz também pode quebrar a resistência elétrica de mais supercondutores tradicionais.

As moléculas do K₃C₆₀ consistem de 60 átomos de carbono que se ligam na forma de uma bola de futebol: uma esfera compreendendo pentágonos e hexágonos. Com a ajuda de íons de potássio carregados positivamente intercalados, que funcionam como um tipo de cimento, os fulerenos carregados negativamente se unem uns aos outros para formar um sólido. Este assim chamado fulleride alcalino é um metal que se torna supercondutor abaixo de -250 °C.

Os pesquisadores irradiaram o fulleride alcalino com pulsos de luz infravermelhos de alguns bilionésimos de um microssegundo e repetiram o experimento em uma gama de temperaturas entre a temperatura crítica e a temperatura ambiente. Eles definiram a frequência da fonte de luz para que produzisse vibrações nos fulerenos. Isto faz com que os átomos de carbono oscilem de tal maneira que os pentágonos se expandam e contraiam. Espera-se que esta alteração na estrutura gere a supercondutividade em temperaturas elevadas de uma forma semelhante ao processo dos cupratos.

Para testar isso, os cientistas irradiaram a amostra com um segundo pulso de luz, ao mesmo tempo do pulso de infravermelhos, ainda que a uma frequência de terahertz. A força com que este pulso é refletido indica a condutividade do material. O resultado foi uma condutividade extremamente alta. “Estamos bastante confiantes de que induzimos a supercondutividade a -170 °C”, diz Daniele Nicoletti. Isto significa que a experiência em Hamburgo apresenta uma das maiores temperaturas críticas observada fora da classe dos cupratos.

“Agora estamos planejando a realização de outras experiências que nos permitirão chegar a uma compreensão mais detalhada dos processos vistos aqui”, diz Nicoletti. O que eles gostariam de fazer agora é analisar a estrutura cristalina durante a excitação com a luz infravermelha. Como era anteriormente o caso do cuprato, isto deve ajudar a explicar o fenômeno. Os pesquisadores, então, gostariam de irradiar o material com pulsos de luz que duram muito mais tempo. “Embora isso seja tecnicamente muito complicado, poderia estender a vida útil da supercondutividade, tornando-se potencialmente relevante para aplicações”, conclui Nicoletti.

 

Fonte1: http://www.mpg.de/9949877/superconductivity-fullerenes-light-induced

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature16522.html

Fazendo supercondutores mais resistentes (Making Superconductors Sturdier)

 

Joerg Harms/Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter

 

A resistência nula dos supercondutores torna estes materiais ideais para circuitos elétricos. No entanto, continuam a serem inviáveis, devido às baixas temperaturas em que operam. Isso acontece porque o estado supercondutor é altamente suscetível ao ruído térmico, o que perturba a ordem eletrônica de longo alcance necessária para manter a supercondutividade, induzindo uma transição para um estado não supercondutor na temperatura crítica. Agora Samuel Denny e colegas da Universidade de Oxford, propõem que com pulsos de radiação terahertz, os supercondutores poderiam permitir que sejam transitoriamente resfriados, reduzindo o impacto do ruído térmico.

       Os autores consideram o cuprato um material supercondutor modelo formado por camadas duplas empilhadas, onde os fluxos de corrente são perpendiculares às camadas. O material é então submetido a uma onda electromagnética na faixa do terahertz que excita modos de vibração do material (fônons). Estes, por sua vez, transferem sua excitação para os plásmons (excitações coletivas de elétrons), convertendo sua frequência. Ajustando a frequência (terahertz) de condução, os pesquisadores calculam que este sistema pode funcionar como um refrigerador, bombeando ativamente o calor para fora dos plásmons de baixa frequência. Isso ajuda a proteger de ruído térmico a ordem de longo alcance dos materiais e pode fazer a supercondutividade mais “robusta”. Por exemplo, mais corrente pode ser transportada através do material sem quebrar o estado supercondutor.

       O método proposto foi estudado para supercondutores já resfriados abaixo de suas temperaturas de transição e apenas se mantém eficaz por alguns picosegundos após a terahertz de condução ter sido desligada. Mas os autores sugerem que estratégias semelhantes, com base em técnicas de arrefecimento a laser, um dia pode ajudar a aumentar a temperatura crítica de um determinado material.

 

 

Fonte1: https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.114.137001

 

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.137001

 

Elétrons em câmera lenta (Electrons in slow motion)

As diferentes dinâmicas de relaxamento em um high-T_C e em supercondutores convencionais. Fonte: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3265.html

 

Um processo que é rápido demais para ser medido e analisado. No entanto, um grupo de cientistas internacionais não desanimou e desenvolveu uma espécie de sistema altamente sofisticado de edição de filme, o que lhes permitiu observar - pela primeira vez de forma direta - um efeito subjacente à condutividade de alta temperatura.

Supercondutores têm propriedades que os tornam potencialmente muito interessante para a tecnologia (exemplos de aplicação incluem trens de levitação magnética). O caminho para uma verdadeira aplicação das propriedades extraordinárias destes supercondutores é, no entanto, bloqueada pelo fato de que os convencionais trabalham em temperaturas extremamente baixas próximas ao zero absoluto, e, portanto, inviáveis. Supercondutores à base de óxido de cobre, graças a uma temperatura mais elevada de trabalho, são mais promissores, mas a possibilidade de sintetizar supercondutores à temperatura ambiente continua a ser um objetivo distante. O principal obstáculo é a falta de compreensão do mecanismo que permite transformar óxidos de cobre em supercondutores.

Um dos principais problemas é entender se as interações de elétrons no interior do material são diretas e instantâneas ou mediadas por alguma interação ‘atrasada’. Para responder a essa pergunta, precisamos olhar para o processo ‘na vida real’, mas dada a sua rapidez incomum, isso está longe de ser fácil. “A solução que concebemos é baseada no uso de pulsos de luz ultra-rápidos, com duração de 10 femtosegundos, ou seja, 10 milhões de bilionésimos de segundo”, explica Claudio Giannetti, da Universidade Católica do Sagrado Coração, que coordenou a pesquisa. “Para serem capaz de realizar essas medições nossos laboratórios desenvolveram um aparelho experimental único capaz de produzir, utilizar e medir pulsos de luz de cores diferentes que duram menos de 10 femtosegundos”, acrescenta Giulio Cerullo, chefe dos laboratórios de espectroscopia ultra-rápida do Departamento de Física da Politécnica de Milão.

O método desenvolvido se assemelha à ‘fotografia de alta velocidade’ inventada por Eadweard Muybridge mais de 100 anos atrás. “As imagens estroboscópicas famosas, ou imagens em movimento, podem dar uma ideia do que fizemos”, explica Massimo Capone, pesquisador do SISSA em Trieste. “Muybridge, assim como nós, teve de tirar fotos de objetos em alta velocidade, quebrar o movimento em muitos moldes antes de criar essas imagens bonitas (que se tornaram ícones) que oferecem uma reconstrução da trajetória de movimento. Fizemos algo muito semelhante, em uma minúscula dimensão temporal (e espacial), utilizando pulsos de luz infinitamente curtos como obturadores, para observar mudanças ultra-rápidas nas propriedades de um supercondutor”.

       Os cientistas aplicaram a técnica a diferentes famílias de supercondutores de alta temperatura, sucedendo, assim, em medir o que eles definem como o “mais rápido processo lento” em um sólido, e seus resultados apoiam a hipótese de que as interações dos elétrons nesses supercondutores são mediadas pelo spin dos elétrons.

Mais em detalhe ...

       “Em geral, as interações dos elétrons em um sólido podem ser divididas em interações diretas, que são virtualmente instantâneas, e ‘interações retardadas’, que ocorrem quando os elétrons interagem com outras partículas (bósons decorrentes da excitação dos íons ou de excitações magnéticas)”, explica Capone. “Estes últimos processos são pensados como fundamentais para a supercondutividade ocorrer, já que eles formam a ‘cola’ que mantém os elétrons juntos nos chamados ‘pares de Cooper’ subjacentes ao próprio fenômeno da supercondutividade”.

       “Até o momento, as experiências semelhantes realizadas com uma resolução temporal inferior conseguiram acessar somente os processos ‘lentos’ relacionados às interações de elétrons com as vibrações (fônons) da rede cristalina formadas por íons”, explica Cerullo. “Neste estudo, pela primeira vez, nós medimos o emparelhamento de elétrons com outra família de excitações ligadas ao spin do elétron e do magnetismo”.

       “Este emparelhamento”, conclui Giannetti, “era impossível de acessar experimentalmente até agora porque ocorre em um intervalo de apenas 10 femtosegundos. Nossa técnica e sua utilização inicial abriram uma nova janela sobre os processos ultra-rápidos em supercondutores de alta temperatura”.

Fonte1: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-03/isoa-eis030915.php

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3265.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