Um dos maiores mistérios da física experimental é como funcionam os chamados materiais supercondutores de alta temperatura. Apesar de seu nome, supercondutores de alta temperatura - materiais que transportam corrente elétrica sem resistência - operam em temperaturas frias inferiores a 135 graus Celsius negativos. Eles podem ser usados ​​para fazer cabos de alimentação supereficientes, ressonâncias magnéticas médicas, aceleradores de partículas, e outros dispositivos. Descobrir o mistério de como esses materiais realmente funcionam pode levar a dispositivos supercondutores que operam em temperatura ambiente - e podem revolucionar os dispositivos elétricos, incluindo laptops e telefones.

Em um novo artigo na revista Física da Natureza , pesquisadores da Caltech finalmente resolveram uma peça desse quebra-cabeça duradouro. Eles confirmaram que uma fase de transição da matéria chamada pseudogap - aquela que ocorre antes que esses materiais sejam resfriados para se tornarem supercondutores - representa um estado distinto da matéria, com propriedades muito diferentes daquelas do próprio estado supercondutor.

Quando a matéria passa de um estado, ou fase, para outro - digamos, água congelando em gelo - há uma mudança no padrão de ordenação das partículas dos materiais. Os físicos já haviam detectado indícios de algum tipo de ordenação de elétrons dentro do estado de pseudogap. Mas exatamente como eles estavam ordenando - e se essa ordem constituía um novo estado da matéria - não estava claro até agora.

"Uma propriedade peculiar de todos esses supercondutores de alta temperatura é que, pouco antes de entrarem no estado supercondutor, eles invariavelmente entram primeiro no estado de pseudogap, cujas origens são igualmente, se não mais misteriosas, do que o próprio estado supercondutor, "diz David Hsieh, professor de física do Caltech e investigador principal da nova pesquisa. "Descobrimos que no estado pseudogap, os elétrons formam um padrão altamente incomum que quebra quase todas as simetrias do espaço. Isso fornece uma pista muito convincente para a origem real do estado de pseudogap e pode levar a uma nova compreensão de como funcionam os supercondutores de alta temperatura. "

O fenômeno da supercondutividade foi descoberto pela primeira vez em 1911. Quando certos materiais são resfriados a temperaturas superfrias, tão baixo quanto alguns graus acima do zero absoluto (alguns graus Kelvin), eles carregam corrente elétrica sem resistência, para que nenhum calor ou energia seja perdido. Em contraste, nossos laptops não são feitos de materiais supercondutores e, portanto, sofrem resistência elétrica e aquecimento.

O resfriamento de materiais a temperaturas extremamente baixas requer hélio líquido. Contudo, porque o hélio líquido é raro e caro, os físicos têm procurado materiais que possam funcionar como supercondutores em temperaturas cada vez mais altas. Os chamados supercondutores de alta temperatura, descoberto em 1986, são agora conhecidos por operar a temperaturas de até 138 Kelvin (menos 135 graus Celsius) e, portanto, podem ser resfriados com nitrogênio líquido, que é mais acessível do que o hélio líquido. A questão que tem escapado aos físicos, no entanto, apesar dos três prêmios Nobel concedidos até agora no campo da supercondutividade, é exatamente assim que funcionam os supercondutores de alta temperatura.

A dança dos elétrons supercondutores

Os materiais se tornam supercondutores quando os elétrons superam sua repulsão natural e formam pares. Este emparelhamento pode ocorrer sob temperaturas extremamente frias, permitindo os elétrons, e as correntes elétricas que eles carregam, para se mover sem obstáculos. Em supercondutores convencionais, o emparelhamento de elétrons é causado por vibrações naturais na rede cristalina do material supercondutor, que agem como cola para manter os pares juntos.

Mas em supercondutores de alta temperatura, esta forma de "cola" não é forte o suficiente para ligar os pares de elétrons. Os pesquisadores acham que o pseudogap, e como os elétrons se organizam nesta fase, contém pistas sobre o que essa cola pode constituir para supercondutores de alta temperatura. Para estudar a ordenação de elétrons no pseudogap, Hsieh e sua equipe inventaram um novo método baseado em laser chamado anisotropia óptica rotacional não linear. No método, um laser é apontado para o material supercondutor; nesse caso, cristais de óxido de ítrio, bário e cobre (YBa2Cu3Oy). Uma análise da luz refletida de volta na metade do comprimento de onda em comparação com aquela que entra revela qualquer simetria no arranjo dos elétrons nos cristais.

Simetrias quebradas apontam para uma nova fase

Diferentes fases da matéria têm simetrias distintas. Por exemplo, quando a água se transforma em gelo, os físicos dizem que a simetria foi "quebrada".

"Na água, "Hsieh explica, "as moléculas de H2O são orientadas de forma bastante aleatória. Se você estivesse nadando em uma piscina infinita de água, seus arredores têm a mesma aparência, não importa onde você esteja. No gelo, por outro lado, as moléculas de H2O formam uma rede periódica regular, então, se você se imaginar submerso em um bloco infinito de gelo, seus arredores parecem diferentes dependendo se você está sentado em um átomo de H ou O. Portanto, dizemos que a simetria translacional do espaço é quebrada ao passar da água para o gelo. "

Com a nova ferramenta, A equipe de Hsieh conseguiu mostrar que os elétrons resfriados até a fase de pseudogap quebraram um conjunto específico de simetrias espaciais chamadas inversão e simetria rotacional. “Assim que o sistema entrou na região do pseudogap, seja em função da temperatura ou da quantidade de oxigênio no composto, houve uma perda de inversão e simetrias rotacionais, indicando claramente uma transição para uma nova fase da matéria, "diz Liuyan Zhao, um pós-doutorado no laboratório Hsieh e principal autor do novo estudo. "É empolgante estarmos usando uma nova tecnologia para resolver um problema antigo."

"A descoberta de inversão quebrada e simetrias rotacionais no pseudogap restringe drasticamente o conjunto de possibilidades de como os elétrons se auto-organizam nesta fase, "diz Hsieh." De certa forma, esta fase incomum pode acabar sendo o aspecto mais interessante desses materiais supercondutores. "

Com uma peça do quebra-cabeça resolvida, os pesquisadores estão no próximo. Eles querem saber qual é o papel dessa ordem de elétrons no pseudogap na indução da supercondutividade de alta temperatura - e como fazer isso acontecer em temperaturas ainda mais altas.