Pesquisa revela novo estado da matéria: um par de Cooper metálico

por Kevin Stacey, Brown University

Pequenos orifícios em um material supercondutor de alta temperatura revelaram que os pares de Cooper, pares de elétrons que permitem a supercondutividade, também podem conduzir eletricidade da mesma maneira que os metais. Crédito: Valles lab / Brown University

Durante anos, os físicos assumiram que os pares de Cooper, pares de elétrons que permitem aos supercondutores conduzir eletricidade sem resistência, eram pôneis de dois truques. Os pares deslizam livremente, criando um estado supercondutor ou criam um estado isolante, bloqueando o material, incapaz de se mover.

Em novo artigo publicado na Science , uma equipe de pesquisadores mostrou que os pares de Cooper também podem conduzir eletricidade com certa resistência, como fazem os metais comuns. Os resultados descrevem um estado inteiramente novo da matéria, dizem os pesquisadores, que exigirá uma nova explicação teórica.

“Havia evidências de que esse estado metálico surgiria nos filmes finos supercondutores à medida que eram resfriados em direção à temperatura supercondutora, mas se esse estado envolvia ou não pares de Cooper era uma questão em aberto”, disse Jim Valles, professor de física da Brown University e autor do estudo. “Desenvolvemos uma técnica que nos permite testar essa pergunta e mostramos que, de fato, os pares de Cooper são responsáveis ​​pelo transporte de carga nesse estado metálico. O interessante é que ninguém tem certeza de como eles fazem isso. Portanto, essa descoberta exigirá trabalho teórico e experimental para entender exatamente o que está acontecendo”.

Os pares de Cooper agem como bósons, que podem compartilhar o mesmo estado. Esse comportamento bosônico permite que os pares de Cooper coordenem seus movimentos com outros conjuntos de pares de maneira que reduz a resistência elétrica a zero.

Em 2007, Valles, trabalhando com Jimmy Xu, professor de engenharia e física da Brown University, mostrou que os pares de Cooper também podiam produzir estados isolantes e supercondutividade. Em materiais muito finos, em vez de se moverem em conjunto, os pares conspiram para permanecer no lugar, presos em pequenas ilhas dentro do material e incapazes de pular para a próxima ilha.

Para este novo estudo, Valles, Xu e colegas na China procuraram pares de Cooper no estado metálico não supercondutor, usando uma técnica semelhante à que revelou os pares de Cooper isolantes. A técnica envolve a padronização de um filme fino supercondutor - nesse caso, um supercondutor de alta temperatura - óxido de cobre, ítrio e bário (YBCO) - com conjuntos de pequenos orifícios. Quando o material tem uma corrente que passa por ele e é exposto a um campo magnético, os portadores de carga do material orbitam nos orifícios como a água que circula um dreno.

“Podemos medir a frequência com que essas cargas circulam”, afirmou Valles. “Nesse caso, descobrimos que a frequência é consistente com a existência de dois elétrons por vez, em vez de apenas um. Assim, podemos concluir que os portadores de carga nesse estado são pares de Cooper e não elétrons únicos”.

A ideia de que pares de Cooper tipo bósons são responsáveis ​​por esse estado metálico é uma surpresa, dizem os pesquisadores, porque existem elementos da teoria quântica que sugerem que isso não deveria ser possível. Portanto, entender exatamente o que está acontecendo nesse estado pode levar a uma nova e empolgante física, mas serão necessárias mais pesquisas.

Felizmente, dizem os pesquisadores, o fato de esse fenômeno ter sido detectado em um supercondutor de alta temperatura tornará as pesquisas futuras mais práticas. O YBCO começa a superconduzir em torno de -181 graus Celsius, e a fase metálica começa a temperaturas logo acima disso. Está muito frio, mas é muito mais quente que outros supercondutores, que são ativos logo acima do zero absoluto. Essa temperatura mais alta facilita o uso da espectroscopia e outras técnicas destinadas a entender melhor o que está acontecendo nesta fase metálica.

No futuro, dizem os pesquisadores, pode ser possível aproveitar esse estado de metal bosônico para novos tipos de dispositivos eletrônicos.

“O problema dos bósons é que eles tendem a estar mais em estado de onda do que os elétrons, por isso falamos sobre eles terem uma fase e criar interferências da mesma maneira que a luz”, afirmou Valles. “Portanto, pode haver novas modalidades de movimentação de carga nos dispositivos, brincando com a interferência entre bósons”.

Mas, por enquanto, os pesquisadores estão felizes por ter descoberto um novo estado da matéria. “A ciência se baseia em descobertas”, disse Xu, “e é ótimo ter descoberto algo completamente novo”.

Mais informações: Chao Yang et al, Science (2019). DOI: 10.1126 / science.aax5798.

Fonte: https://phys.org/news/2019-11-reveals-state-cooper-pair-metal.html

Pesquisa abre rota para a supercondutividade fotônica

Resultado de experimentos no Departamento de Física, achado inédito foi saudado pela comunidade científica internacional

Aparato de detecção do par de fótons: observação em temperatura ambiente Cassiano Rabelo / UFMG

O fenômeno conhecido como Par de Cooper, em que elétrons se agrupam aos pares, condição que elimina a resistência elétrica e transforma materiais em supercondutores, foi detectado também em fótons, por pesquisadores da UFMG, em parceria com teóricos da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). O trabalho teve grande repercussão internacional, uma vez que abre campo para estudos sobre supercondutividade fotônica, capaz de ser alcançada em temperatura ambiente, ao passo que a eletrônica é obtida em condições extremas e de difícil reprodução.

O artigo Photonic counterparts of Cooper Pairs, publicado neste mês na revista de maior prestígio entre físicos – Physical Review Letters –, confirma a repetição do resultado em testes com mais de uma dezena de materiais, entre os quais, água, vidro, quartzo e diamante. O trabalho, abordado em matéria de capa da edição 2.001 do Boletim UFMG, é fruto de investigações que geraram a tese de Filomeno de Aguiar Júnior e a dissertação de Arthur Patrocínio Pena, sob orientação do professor Ado Jorio, do Departamento de Física da UFMG.

Cauteloso com o achado, Ado Jorio ressalta que o efeito obtido na supercondutividade eletrônica decorre de milhões de pares de elétrons naquele estado, capazes de produzir grandes campos magnéticos, com aplicações macroscópicas. “Utilizando dois detectores ultrassensíveis, conseguimos provar que os fótons estavam sendo gerados e se propagando em pares, mas medimos pares de Cooper ainda isolados, não agrupados aos milhares”, explica.

Além disso, pondera o coordenador do grupo, embora a supercondutividade eletrônica tenha aplicações de alto impacto, a exemplo de aparelhos de ressonância magnética e alguns trens de alta velocidade, ainda não é possível saber se uma supercondutividade de fótons teria aplicações tão relevantes. Segundo ele, é cedo para pensar em efeitos como supertransparência e supercondutividade luminosa.

Repercussão 

O trabalho, entretanto, foi recebido com entusiasmo pela comunidade científica. Tão logo foi divulgado pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT), dos Estados Unidos, às vésperas da publicação, o artigo repercutiu em periódicos de alto impacto como Nature, Science e Russia News Today. A versão francesa da enciclopédia Wikipedia acrescentou resultados do artigo ao verbete Supraconductivité, em que indaga se existe um equivalente fotônico para a supercondutividade.

“Constatamos que a observação dos pares fotônicos à temperatura ambiente exige condições específicas, isto é, em materiais com átomos leves e ligações muito fortes, como aqueles que contêm carbono”, diz o pesquisador. Segundo ele, os componentes dos pares, tanto os eletrônicos quanto os de fótons, têm de trocar informações entre si por meio de vibração. Se o meio está vibrando demais, é como se houvesse muito ruído no sistema, o que atrapalha a comunicação. Por isso, na supercondutividade de elétrons, é preciso ter temperaturas baixíssimas, mais de 100 graus abaixo de zero, o que equivale a baixa vibração e, portanto, pouco ruído. 

Desse modo, as condições para a supercondutividade elétrica são muito restritas – não é possível, por exemplo, ter em casa uma rede elétrica de supercondutores, porque não existe supercondutor à temperatura ambiente. “Os materiais supercondutores usam nitrogênio líquido, alguns precisam de hélio líquido, sistemas que funcionam a baixíssimas temperaturas, isto é, uma condição muito extrema, muito difícil de ser obtida”.

Embora o fenômeno fotônico possa ser observado até em temperatura ambiente, por enquanto, as descobertas feitas pelo grupo brasileiro abrem mais questionamentos do que campos de aplicação, afirma Ado Jorio. “Pelo estágio de desenvolvimento do trabalho, ainda não se deve superdimensionar o efeito”, pondera. Ele acrescenta, entretanto, que a divulgação do artigo abre uma corrida entre grupos de pesquisa de todo o mundo, para fazer avançar o conhecimento sobre o assunto. “Provavelmente muita gente vai trabalhar nesse tema, iniciado com uma pesquisa totalmente brasileira”, afirma. A aquisição dos equipamentos usados nos experimentos foi viabilizada por financiamento da Finep, do CNPq e da Fapemig.

Ado Jorio explica que o trabalho resulta de projeto de união de duas áreas da Física: ótica quântica e ciência de materiais. “São dois campos muito distintos que, quando conversam, produzem grandes novidades”, afirma. 

Artigo: Photonic counterparts of Cooper Pairs
Revista: Physical Review Letters 

Autores: Ado Jorio e Carlos Henrique Monken (professores da UFMG), Filomeno de Aguiar Júnior e Arthur Patrocínio Pena (alunos da UFMG), André Saraiva, Reinaldo de Melo e Souza, Marcelo F. Santos e Belita Koiller (UFRJ)

Fonte: https://ufmg.br/comunicacao/noticias/pesquisa-da-fisica-abre-caminho-para-estudos-sobre-supercondutividade-fotonica

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

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

Magnetismo é a cola dos pares de Cooper (magnetism is quantum glue)

            A supercondutividade surge quando dois elétrons em um material se ligam formando um par de Cooper. Experiências inovadoras realizadas por Freek Massee e Milan Allan foram analisados ​​usando um novo panorama teórico desenvolvido por Morr e o estudante John Van Dyke. Os resultados apontaram o magnetismo como a força subjacente à supercondutividade em um supercondutor não convencional (heavy férmion), o CeCoIn₅.

            “Durante muito tempo, fomos incapazes de desenvolver uma compreensão teórica detalhada deste supercondutor não convencional”, diz Morr, principal autor do trabalho. Dois insights cruciais da complexa estrutura eletrônica do CeCoIn₅ estavam faltando: a relação entre o momentum e energia dos elétrons movendo-se através do material, e a ‘cola quântica’ que une os elétrons no par de Cooper.

            Estas questões foram respondidas depois que o grupo de Davis desenvolveu uma medida de alta precisão do CeCoIn₅ usando um microscópio de varredura por tunelamento chamada espectroscopia de interferência de quasi-partícula. Análises do espectro usando uma nova abordagem teórica permitiu aos pesquisadores extrair as peças ausentes do quebra-cabeça.

       O novo insight indica que a cola quântica da supercondutividade é a força magnética. O magnetismo é altamente direcional, diz Morr. “Conhecendo a dependência direcional da cola quântica, nós prevemos quantitativamente as propriedades supercondutoras dos materiais usando uma série de equações matemáticas. Nossos cálculos mostram que o gap possui simetria de onda-d, o que para certas direções os elétrons estão ligados muito fortemente em detrimento de outras,” diz Morr. A dependência direcional é uma das características dos supercondutores não convencionais. “Nós concluímos que o magnetismo é a cola quântica subjacente ao surgimento da supercondutividade não convencional no CeCoIn₅.”

             O achado tem “erguido o nevoeiro da complexidade” em torno do material, diz Morr, e só foi possível pela colaboração entre teoria e experimento, que é crucial no avanço da compreensão de sistemas complexos. “Nós agora temos um excelente ponto de partida para explorar como a supercondutividade funciona em outros materiais complexos,” diz Morr. “Nós agora podemos investigar como ajustar o sistema para levar a temperatura crítica até a temperatura ambiente.”

Fonte1: http://nextbigfuture.com/2014/07/a-working-theory-of-high-temperature.html

Fonte2: http://www.pnas.org/content/early/2014/07/24/1409444111

Fonte3: http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1405/1405.5883.pdf