Domando os supercondutores com teoria de cordas (Taming Superconductors With String Theory)

Subir Sachdev tem usado a teoria de cordas para prever com precisão o comportamento dos supercondutores. Os resultados deverão ser publicadas na próxima edição da revista Science.

O físico Subir Sachdev usa ferramentas da teoria de cordas para entender o comportamento enigmático dos supercondutores. A teoria de cordas foi concebida como uma forma de unir as leis da mecânica quântica com a gravidade, visando criar a badalada “teoria de tudo”.

Por três décadas, os físicos têm sido incapazes de desenvolver uma teoria abrangente que explica como se comporta os elétrons em supercondutores de alta temperatura. Nestes materiais, os físicos procuram uma forma de impor a ordem coletiva sobre o comportamento dos elétrons.

Em 2007, Sachdev teve uma perspectiva surpreendente: ele percebeu que certas características da teoria de cordas correspondem à ‘sopa’ de elétrons encontrada em supercondutores de alta temperatura. Nos anos seguintes, Sachdev desenvolveu modelos da teoria de cordas que oferecem maneiras de investigar o comportamento dos elétrons em supercondutores de alta temperatura. Ele usou essas idéias para desenvolver experimentos em materiais como o grafeno. Agora, ele espera aplicar seus conhecimentos em supercondutores de alta temperatura.

Abaixo, segue uma entrevista de Sachdev para a Quanta Magazine. 

 
QUANTA MAGAZINE: O que acontece dentro de um supercondutor de alta temperatura?

Sachdev: A diferença entre materiais antigos e os novos materiais é que em materiais mais antigos, os elétrons conduzem eletricidade independentes um do outro. Eles obedecem ao princípio da exclusão, pelo qual elétrons não podem ocupar o mesmo estado quântico ao mesmo tempo e que se movem independentemente um do outro. Nos novos materiais, este modelo de elétrons independente falha. Eles se movem de forma cooperativa e suas propriedades quânticas estão conectadas.

Este entrelaçamento torna os supercondutores de alta temperatura muito mais complicados do que os supercondutores convencionais. Como você tem encarado o problema?

Geralmente eu abordo através da classificação das fases quânticas da matéria. Exemplos de fases quânticas simples são metais simples, como prata e ouro, ou isolantes simples como diamantes. Muitas dessas fases são bem compreendidas e aparecem em todos os lugares em nossa vida diária. Desde a descoberta dos supercondutores de alta temperatura, e muitos outros novos materiais, temos tentado compreender as outras propriedades físicas que podem surgir quando você tem trilhões de elétrons obedecendo princípios quânticos e também interagindo uns com os outros. Minha esperança é que o amplo ataque à classificação das fases quânticas da matéria levará a uma compreensão mais profunda dos supercondutores de alta temperatura.

Quão longe você foi?

Tem havido um grande progresso na compreensão da teoria das transições de fase quânticas, que envolve tomar duas fases quânticas da matéria que são muito diferentes entre si e ajustar alguns parâmetros - por exemplo, a pressão sobre um cristal - e verificar o que acontece quando o material vai de uma fase à outra. Tem havido uma enorme quantidade de progresso para uma ampla classe de transições de fase quânticas. Compreendemos agora muitos tipos diferentes de fases que não sabíamos que existiam.

 
Mas uma teoria completa de como os elétrons se comportam em supercondutores de alta temperatura têm sido difícil de desenvolver. Por quê?

Se você tem um único elétron se movendo através de uma rede, então só precisa se preocupar com as diferentes posições que o elétron pode ocupar. Mesmo que o número de posições seja grande, é algo que você pode simular em um computador. Mas quando você trabalha com muitos elétrons, deve raciocinar de maneira muito diferente. Uma forma de lidar com isso é imaginar que cada sítio da rede pode estar vazio ou cheio. Como N sítios corresponde a 2^N, então as possibilidades são inimaginavelmente grandes. Nesse vasto conjunto de possibilidades, você deve classificar o que são coisas razoáveis ​​que um elétron tende a fazer. Em poucas palavras, é por isso que é um problema difícil.

 
Voltando às transições de fase, você passou muito tempo estudando o que acontece com um supercondutor de alta temperatura quando é aquecido. Neste ponto, ele se torna um “metal estranho.” Por que a compreensão de metais estranhos ajuda a entender supercondutores de alta temperatura?

Se você aumentar a temperatura de um material que se encontra no estado supercondutor, em algum momento a supercondutividade desaparece. Logo acima desta temperatura você observa um tipo de metal que chamamos de metal estranho, porque muitas de suas propriedades são diferentes de metais comuns. Agora imagine o caminho inverso, de modo que a fase de um sistema está mudando do estado ‘metal-estranho’ para o estado supercondutor. Se nós estamos determinando a temperatura em que isso acontece, precisamos comparar as energias dos estados quânticos em ambos os lados da temperatura crítica. Mas metais estranhos parecem estranhos em todos os aspectos, e nós temos apenas os modelos mais simples para as suas propriedades físicas.

 
O que torna os metais estranhos tão diferentes de outras fases quânticas?

Em certas fases, excitações (quânticas) geralmente se comportam como novas partículas emergentes. Elas são quasepartículas. Sua estrutura interna é muito complicada, mas do lado de fora elas se parecem com partículas comuns. A teoria da quasepartícula de muitos corpos se aplica praticamente a todos os estados que descobrimos nos materiais mais antigos. Metais estranhos são um dos casos mais proeminentes onde a teoria da quasepartícula falha. É por isso que é muito mais difícil estudá-los, porque esta ferramenta básica da teoria de muitos corpos não se aplica.

 
Você teve a ideia de que a teoria de cordas poderia ser útil na compreensão de fases quânticas que careciam das quasepartículas, como metais estranhos. Como a teoria de cordas é útil neste cenário?

Do meu ponto de vista, a teoria de cordas foi outra ferramenta matemática poderosa para entender um grande número de partículas quanticamente emaranhadas. Em particular, há certas fases da teoria de cordas em que você pode imaginar que as extremidades das cordas estão aderindo a uma superfície. Se você é uma formiga em movimento na superfície, você só vê as extremidades da corda. Para você, estas extremidades parecem partículas, mas realmente as partículas são conectados por uma corda que vai até uma dimensão extra. Para você, estas partículas que estão na superfície aparecerão emaranhadas, e é a corda na dimensão extra que está emaranhando as partículas. É uma maneira diferente de descrever emaranhamento.

Agora, você pode imaginar esse processo continuando não apenas com dois elétrons, mas com quatro, seis, muitos elétrons, em busca dos diferentes estados emaranhados que os elétrons podem formar. Isto está intimamente ligado com a classificação das fases da matéria. É uma descrição hierárquica de entrelaçamento, em que cada elétron encontra um parceiro, e, em seguida, os pares se emaranham com outros pares, e assim por diante. Você pode construir essa estrutura hierárquica utilizando a descrição de cordas. Por isso, é uma abordagem para falar sobre o emaranhamento de trilhões de elétrons.

Esta aplicação da teoria de cordas a metais estranhos tem algumas implicações interessantes. Por exemplo, ela levou a descrever conexões entre metais estranhos e as propriedades dos buracos negros. Como você vai de um para o outro?

No quadro geral da teoria de cordas, [alterar a densidade de elétrons] corresponde a colocar uma carga em um buraco negro. Muitas pessoas têm estudado isso nos últimos cinco anos ou mais - tentando compreender coisas sobre metais estranhos a partir das propriedades dos buracos negros carregados. Eu tenho um artigo recente em que eu encontrei um determinado modelo artificial de elétrons movendo-se em uma estrutura onde muitas propriedades correspondem precisamente às propriedades dos buracos negros carregados.

Eu li que Philip Anderson, considerado por muitos o físico mais influente da matéria condensada, é cético de que a teoria de cordas é realmente útil para entender metais estranhos. Você sabe se isso é verdade?

Eu acho que é verdade. Ele me disse que não acredita em nada disso, mas, você sabe, o que eu posso dizer, ele é um homem brilhante com seu próprio ponto de vista. Eu diria que quando propomos a ideia em 2007, ela certamente parecia loucura. Um grande progresso foi feito desde então. Eu tenho um novo artigo com Philip Kim e outros onde verifica-se que com o grafeno, que é um metal ligeiramente menos estranho, muitos dos métodos inspirados pela teoria de cordas levaram a previsões quantitativas que foram verificadas por meio de experimentos.

Eu acho que foi um dos melhores sucessos da teoria de cordas até o momento. Ela literalmente funciona, você pode obter os números corretos. Mas o grafeno é um sistema simples, e ainda não foi comprovado se esses métodos vão funcionar para supercondutores de alta temperatura.

Você poderia dizer mais sobre o por quê Anderson é cético em relação a abordagem que você adotou?

Se você olhar para os modelos da teoria de cordas, na superfície têm um aspecto muito diferente dos tipos de modelos que você precisa para supercondutores de alta temperatura. Você olha para os modelos de cordas e seus constituintes, e parece absurdo que estes estejam ligados aos constituintes dos supercondutores de alta temperatura. Mas se você tomar o ponto de vista que, ok, eu não estou dizendo literalmente que este modelo será encontrado em [supercondutores de alta temperatura], este é apenas um modelo que me ajuda a fazer progressos em questões difíceis, tipo como materiais sem quasepartículas se comportam, a teoria de cordas fornece exemplos de um desses materiais que é confiavelmente solucionável.

 
Como literalmente você está usando a teoria de cordas? É uma aplicação direta, ou você está se inspirando nela?

É mais inspiração. Uma vez que você resolve o modelo, ele fornece um monte de insights sobre outros modelos que você pode não ser capaz de resolver. Depois de seis ou sete anos trabalhando próximo da teoria de cordas, aprendemos bastante. Para nós, o próximo passo parece estar funcionando em sistemas mais realistas usando a inspiração que recebemos dos modelos mais solucionáveis.

Como podem os modelos da teoria de cordas, além do trabalho com o grafeno, colocá-lo em posição de compreender as propriedades de supercondutores de alta temperatura?

Quando você muda a densidade de elétrons em supercondutores de alta temperatura, há uma mudança muito mais dramática na qual os elétrons vão de um regime onde apenas alguns elétrons parecem se mover para outro em que todos os elétrons se movem. Estamos entendendo que há um ponto especial chamado a densidade ideal onde parece haver uma mudança dramática no estado quântico dos elétrons. E bem perto deste ponto é onde também se observa o metal estranho. Nós estamos tentando trabalhar fora das teorias microscópicas deste ponto especial onde o estado quântico muda, e modelos de corda podem nos ensinar muito sobre esses pontos quânticos críticos. Uma vez que tivermos o quadro completo, estamos esperançosos e otimistas de que podemos obter muitos insights do grafeno e aplicá-los a este modelo mais complicado. É onde estamos.

Fonte: https://www.quantamagazine.org/20160121-superconductors-and-string-theory/

Físicos brasileiros propõem modelo experimental para detectar férmion de Majorana em supercondutores

Em 1938, Ettore Majorana, um físico italiano de 31 anos, desapareceu sem deixar vestígios. Seu orientador, Enrico Fermi, que naquele mesmo ano ganhou o prêmio Nobel de Física, o comparou ao inglês Isaac Newton (1643-1727), posicionando-o vários degraus acima dos maiores expoentes de uma época fértil em gênios científicos. As habilidades matemáticas de Majorana eram prodigiosas.

Ettore Majorana

Costumava esboçar proposições teóricas sofisticadas em maços de cigarro, que, depois, amassava e jogava fora, classificando aqueles escritos como pueris. Em março de 1932, propôs, alguns meses antes do alemão Werner Heisenberg (1901-1976), um modelo do núcleo atômico como constituído por prótons e nêutrons. Mas, apesar da insistência de Fermi, recusou-se a publicar qualquer artigo a respeito.

Quando desapareceu, suspeitou-se de que havia sido sequestrado pelo regime fascista de Benito Mussolini, porque sabia demais. Depois, verificou-se que planejara meticulosamente a desaparição.

Outras hipóteses foram apresentadas: fugiu porque, sabendo do potencial destrutivo da energia nuclear, não queria ser obrigado a trabalhar para os fascistas na produção da bomba atômica; fugiu porque, movido por uma intensa aspiração mística, decidiu isolar-se em um mosteiro ou transformar-se em andarilho. Há suspeitas de que tenha se refugiado na Argentina, passando a ganhar a vida como engenheiro. Mas não existe prova conclusiva sobre quaisquer dessas suposições.

Dos poucos trabalhos que publicou, o mais famoso foi Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone (Teoria simétrica do elétron e do pósitron), datado de 1937. Nele, apresentou a hipótese de uma partícula que teria a si mesma como antipartícula. A existência do neutrino acabara de ser postulada por Fermi e Wolfgang Pauli, e Majorana sugeriu que o neutrino poderia ser essa partícula.

Genericamente, essa partícula hipotética, que é sua própria antipartícula, recebe o nome de férmion de Majorana. Oito décadas depois de sua proposição, o férmion de Majorana continua a suscitar forte interesse na comunidade dos físicos. As pesquisas atuais em relação a ele enfocam não apenas o neutrino, mas também quase-partículas constituídas por excitações em supercondutores.

“No contexto da matéria condensada [em que o número de constituintes do sistema (átomos, elétrons etc.) é extremamente elevado, produzindo interações muito intensas entre eles], os férmions de Majorana poderiam se manifestar não como partículas reais, a exemplo dos prótons ou dos elétrons, mas como quase-partículas, ou partículas aparentes, que descrevem o estado do supercondutor”, disse o físico Antonio Carlos Ferreira Seridonio, professor do Departamento de Física e Química da Universidade Estadual Paulista (Unesp), no campus de Ilha Solteira (SP), à Agência FAPESP.

Um sistema considerado forte candidato a exibir os férmions de Majorana enquanto quase-partículas é o chamado “fio de Kitaev”. [Imagem: Dessotti et al. - 10.1063/1.4898776]

Seridonio é coautor do artigo “Probing the antisymmetric Fano interference assisted by a Majorana fermion”, recentemente publicado como matéria de capa pelo periódico Journal of Applied Physics.

O artigo propõe um modelo experimental para a obtenção do férmion de Majorana. Tal modelo foi concebido por um grupo de pesquisadores e pós-graduandos da Unesp em Ilha Solteira e em Rio Claro e da Universidade Federal de Uberlândia (UFU), liderados por Seridonio, Valdeci Mariano de Souza (Unesp-Rio Claro) e Fabrício Macedo de Souza (UFU).

O primeiro autor do artigo, Fernando Augusto Dessotti, é doutorando sob a orientação de Seridonio. E o segundo, o mestrando Luciano Henrique Siliano Ricco, tem o apoio da FAPESP em pesquisa que trata do tema da matéria publicada.

Um sistema considerado forte candidato a exibir os férmions de Majorana enquanto quase-partículas é o chamado “fio de Kitaev”, proposto pelo físico russo Alexei Kitaev (nascido em 1963), atualmente professor do California Institute of Technology (Caltech), nos Estados Unidos.

“Em 2001, trabalhando na Microsoft, Kitaev dedicou-se ao objetivo de encontrar uma unidade básica para a computação quântica [o qubit ou bit quântico], que fosse capaz de resistir a perturbações externas do meio, possibilitando assim a construção do computador quântico. O modelo apresentado por ele consistiu em um fio finito supercondutor. Quando tal fio se encontra em uma condição específica, chamada de fase topológica, seria possível isolar um majorana em cada uma de suas pontas. E esse par de quase-partículas comporia o bit quântico”, relatou Seridonio.

O artigo publicado por Seridonio e seu grupo no Journal of Applied Physics descreve uma via experimental para a detecção dessas quase-partículas. “Os componentes do aparato experimental que propomos já foram produzidos experimentalmente. Falta integrá-los. Acreditamos que é uma questão de tempo para que isso ocorra. E o nosso trabalho aponta um caminho para isso”, afirmou.

O aparato utiliza um interferômetro de elétrons (empregado no estudo do comportamento ondulatório dos elétrons) semelhante ao interferômetro de Bohm-Aharonov [idealizado no final de década de 1950 pelo físico norte-americano naturalizado brasileiro David Bohm (1917–1992) e pelo físico israelense Yakir Aharonov (1932), então seu orientando].

“Nossa ideia foi acoplar esse interferômetro a um fio de Kitaev na fase topológica. O transporte de elétrons no interferômetro ficaria afetado pelos majoranas presentes nas pontas do fio de Kitaev. E, por meio da alteração produzida nos espectros das ondas eletrônicas, seria possível caracterizar os majoranas”, explicou Seridonio.

“Para o futuro, utilizaremos o interferômetro proposto para explorar uma outra classe de majoranas, os que geram uma corrente de quase-partículas nas bordas de um supercondutor”, acrescentou o pesquisador.

O artigo Probing the antisymmetric Fano interference assisted by a Majorana férmion (doi: 10.1063/1.4898776), de F.A. Dessotti e colaboradores, pode ser lido em http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/116/17/10.1063/1.4898776 .

Agência FAPESP

Fonte1: http://www.planetauniversitario.com/index.php/ciencia-e-tecnologia-mainmenu-75/33689-fisicos-brasileiros-propoem-modelo-experimental-para-detectar-fermion-de-majorana

Fonte2: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=brasileiros-propoem-experimento-detectar-fermion-majorana&id=010175141118#.VH8BQcnN5qR

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