Medindo com precisão a entropia de uma liga de cobre e ouro de cério com propriedades eletrônicas desconcertantes resfriadas a quase zero absoluto, físicos na Alemanha e nos Estados Unidos reuniram novas evidências sobre as possíveis causas da supercondutividade de alta temperatura e fenômenos semelhantes.

"Esta demonstração fornece uma base para entender melhor como novos comportamentos, como a supercondutividade de alta temperatura, são provocados quando certos tipos de materiais são resfriados a um ponto crítico quântico, "disse o físico da Rice University Qimiao Si, co-autor de um novo estudo sobre a pesquisa desta semana Física da Natureza .

A pesquisa experimental foi liderada por Hilbert von Löhneysen do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe em Karlsruhe, Alemanha. A equipe de Löhneysen, incluindo o autor do estudo Kai Grube, passou um ano conduzindo dezenas de experimentos em um composto feito de cobre e ouro de cério. Ao estudar o efeito do estresse, ou pressão aplicada em direções específicas, e ao tornar os materiais muito frios, a equipe mudou sutilmente o espaçamento entre os átomos nos compostos metálicos cristalinos e, assim, alterou suas propriedades eletrônicas.

As ligas de ouro e cobre de cério são "férmions pesados, "um dos vários tipos de materiais quânticos que exibem propriedades eletrônicas exóticas quando muito frios. Os mais conhecidos deles são os supercondutores de alta temperatura, assim denominado por sua capacidade de conduzir corrente elétrica com resistência zero a temperaturas bem acima das dos supercondutores tradicionais. Os férmions pesados ​​exibem uma estranheza diferente:seus elétrons parecem ser efetivamente centenas de vezes mais massivos do que o normal e, igualmente incomum, a massa efetiva do elétron parece variar fortemente com as mudanças de temperatura.

Esses comportamentos estranhos desafiam as teorias físicas tradicionais. Eles também ocorrem em temperaturas muito frias e surgem quando os materiais são sintonizados para uma "transição de fase quântica" - uma mudança de um estado para outro, como gelo derretendo. Em 2001, Si e seus colegas ofereceram uma nova teoria:no ponto crítico quântico, elétrons flutuam entre dois estados quânticos inteiramente diferentes, tanto que sua massa efetiva se torna infinitamente grande. A teoria previu certos sinais reveladores conforme o ponto crítico quântico é abordado, e Si tem trabalhado com físicos experimentais nos últimos 16 anos para reunir evidências para apoiar a teoria.

"Água líquida e gelo são dois dos estados clássicos em que H2O pode existir, "disse Si, diretor do Centro de arroz para materiais quânticos. "O gelo é uma fase muito ordenada porque as moléculas de H2O estão perfeitamente organizadas em uma estrutura de cristal. A água é menos ordenada em comparação com o gelo, mas as moléculas de água corrente ainda têm uma ordem subjacente. O ponto crítico é onde as coisas estão flutuando entre esses dois tipos de ordem. É o ponto em que as moléculas de H2O querem seguir o padrão de gelo e querem seguir o padrão de água.

"É muito semelhante em uma transição de fase quântica, "disse ele." Mesmo que essa transição seja impulsionada pela mecânica quântica, ainda é um ponto crítico onde há flutuação máxima entre dois estados ordenados. Nesse caso, as flutuações estão relacionadas à ordenação dos 'spins' dos elétrons no material. "

O spin é uma propriedade inerente - como a cor dos olhos - e o spin de cada elétron é classificado como "para cima" ou "para baixo". Em ímãs, como ferro, os giros são alinhados na mesma direção. Mas muitos materiais exibem o comportamento oposto:seus spins se alternam em uma repetição, baixa, acima, padrão que os físicos chamam de "antiferromagnético".

Centenas de experimentos em férmions pesados, supercondutores de alta temperatura e outros materiais quânticos descobriram que a ordem magnética difere em ambos os lados de um ponto crítico quântico. Tipicamente, experimentos encontram ordem antiferromagnética em uma faixa de composição química, e um novo estado de ordem do outro lado do ponto crítico.

"Uma imagem razoável é que você pode ter uma ordem antiferromagnética de spins, onde os giros são bem ordenados, e você pode ter outro estado em que os giros são menos ordenados, "disse Si, Harry C. e Olga K. Wiess, Professor de Física e Astronomia, de Rice. "O ponto crítico é onde as flutuações entre esses dois estados estão em seu máximo."

O composto de ouro e cobre de cério tornou-se um protótipo de material de férmion pesado para criticidade quântica, em grande parte devido ao trabalho do grupo de von Löhneysen.

"Em 2000, fizemos experimentos de espalhamento de nêutrons inelásticos no sistema quântico de ouro de cobre de cério, "disse von Löhneysen." Encontramos um perfil espaço-temporal tão incomum que não poderia ser entendido em termos da teoria padrão do metal. "

Si disse que o estudo foi um dos fatores importantes que o estimularam e seus co-autores a oferecer sua teoria de 2001, o que ajudou a explicar os resultados intrigantes de von Löhneysen. Em estudos subsequentes, Si e seus colegas também previram que a entropia - uma propriedade termodinâmica clássica - aumentaria à medida que as flutuações quânticas aumentassem perto de um ponto crítico quântico. As propriedades bem documentadas do ouro de cobre e cério proporcionaram uma oportunidade única para testar a teoria, Si disse.

Em cério cobre-seis, substituir o cobre por pequenas quantidades de ouro permite aos pesquisadores aumentar ligeiramente o espaçamento entre os átomos. Na composição crítica, as ligas passam por uma transição de fase quântica antiferromagnética. Ao estudar esta composição e medir a entropia inúmeras vezes sob várias condições de estresse, a equipe de Karlsruhe foi capaz de criar um mapa 3-D que mostrava como a entropia em temperatura muito baixa, embora finita, aumentava constantemente conforme o sistema se aproximava do ponto crítico quântico.

Nenhuma medida direta de entropia existe, mas a relação entre as mudanças de entropia e a tensão é diretamente proporcional a outra relação que pode ser medida:a quantidade de expansão ou contração da amostra devido às mudanças de temperatura. Para permitir as medições nas temperaturas extraordinariamente baixas necessárias, a equipe de Karlsruhe desenvolveu um método para medir com precisão as mudanças de comprimento de menos de um décimo de um trilionésimo de um metro - aproximadamente um milésimo do raio de um único átomo.

"Medimos a entropia em função da tensão aplicada ao longo de todas as diferentes direções principais, "disse Grube, pesquisador sênior do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe. "Fizemos um mapa detalhado da paisagem de entropia no espaço de parâmetros multidimensionais e verificamos que o ponto crítico quântico fica no topo da montanha de entropia."

Von Löhneysen disse que as medições termodinâmicas também fornecem novos insights sobre as flutuações quânticas perto do ponto crítico.

"Surpreendentemente, esta metodologia nos permite reconstruir o perfil espacial subjacente das flutuações críticas quânticas neste material crítico quântico, "disse ele." Esta é a primeira vez que este tipo de metodologia foi aplicada. "

Si disse que foi uma surpresa que isso pudesse ser feito usando nada mais do que medições de entropia.

"É bastante notável que a paisagem de entropia possa se conectar tão bem com o perfil detalhado das flutuações quânticas críticas determinadas a partir de experimentos microscópicos, como espalhamento inelástico de nêutrons, ainda mais quando ambos acabam fornecendo evidências diretas para apoiar a teoria, " ele disse.

De forma geral, a demonstração do aumento pronunciado da entropia em um ponto crítico quântico em um espaço de parâmetros multidimensional levanta novos insights sobre a forma como as interações elétron-elétron dão origem à supercondutividade de alta temperatura, Si disse.

"Uma maneira de aliviar a entropia acumulada de um ponto crítico quântico é os elétrons no sistema se reorganizarem em novas fases, "disse ele." Entre as fases possíveis que se seguem está a supercondutividade não convencional, em que os elétrons se emparelham e formam um estado quântico macroscópico coerente. "