Em um cenário conhecido e bem compreendido, o emparelhamento é causado unicamente pela atração entre dois férmions (linhas verdes). Contudo, Cientistas da Heidelberg descobriram que, com fortes interações entre os férmions, um tipo diferente de emparelhamento ocorre, que depende fortemente da densidade do meio circundante (regiões sombreadas em cinza). Isso sugere que, neste estado, cada partícula não é apenas emparelhada com uma outra partícula, mas que existem correlações adicionais com outras partículas em seu entorno. Crédito:Puneet Murthy
Usando átomos ultracold, pesquisadores da Universidade de Heidelberg descobriram um estado exótico da matéria em que as partículas constituintes se emparelham quando limitadas a duas dimensões. As descobertas do campo da física quântica podem conter pistas importantes para fenômenos intrigantes de supercondutividade. Os resultados foram publicados em Ciência .
Supercondutores são materiais através dos quais a eletricidade pode fluir sem qualquer resistência, uma vez que são resfriados abaixo de uma determinada temperatura crítica. A classe de materiais tecnologicamente mais relevante, com temperaturas críticas excepcionalmente altas para supercondutividade, é mal compreendido até agora. Há evidências, Contudo, que para que a supercondutividade ocorra, um certo tipo de partículas - os férmions - deve formar pares. Além disso, a pesquisa mostrou que os materiais que se tornam supercondutores em temperaturas relativamente altas têm estruturas em camadas. "Isso significa que os elétrons nesses sistemas só podem se mover em planos bidimensionais", explica o Prof. Dr. Selim Jochim do Instituto de Física da Universidade de Heidelberg, quem lidera o projeto. "O que não entendíamos até agora era como a interação de emparelhamento e dimensionalidade pode levar a temperaturas críticas mais altas."
Para explorar esta questão, pesquisadores do Center for Quantum Dynamics realizaram experimentos nos quais confinaram um gás de átomos ultracold em armadilhas bidimensionais que eles criaram usando feixes de laser focalizados. "Em materiais de estado sólido, como óxidos de cobre, existem muitos efeitos e impurezas diferentes que tornam esses materiais difíceis de estudar. É por isso que usamos átomos ultracold para simular o comportamento de elétrons em sólidos. Isso nos permite criar amostras muito limpas e nos dá controle total sobre os parâmetros essenciais do sistema ", diz Puneet Murthy, um Ph.D. estudante do Center for Quantum Dynamics na Heidelberg University e um dos principais autores desta publicação.
Usando uma técnica conhecida como espectroscopia de radiofrequência, os pesquisadores mediram a resposta dos átomos a um pulso de ondas de rádio. A partir desta resposta, eles podiam dizer exatamente se as partículas estavam emparelhadas ou não e de que maneira. Essas medições também foram realizadas para diferentes intensidades de interação entre férmions. No decorrer dos experimentos, os pesquisadores descobriram um estado exótico da matéria. A teoria afirma que os férmions com uma interação fraca devem emparelhar na temperatura em que se tornam supercondutores. Contudo, quando os cientistas aumentaram a interação entre férmions, eles descobriram que o emparelhamento ocorreu em temperaturas várias vezes mais altas do que a temperatura crítica.
"Para atingir nosso objetivo final de compreender melhor esses fenômenos, vamos começar com pequenos sistemas que montamos átomo por átomo ", diz o Prof. Jochim.
