Quando você conecta um eletrodoméstico ou liga um interruptor de luz, a eletricidade parece fluir instantaneamente pelos fios da parede. Mas de fato, a eletricidade é transportada por minúsculas partículas chamadas elétrons que vagarosamente flutuam pelos fios. Em sua jornada, elétrons ocasionalmente colidem com os átomos do material, desistindo de alguma energia a cada colisão.

O grau em que os elétrons viajam sem obstáculos determina quão bem um material pode conduzir eletricidade. Mudanças ambientais podem melhorar a condutividade, em alguns casos, drasticamente. Por exemplo, quando certos materiais são resfriados a temperaturas frias, elétrons se unem para que possam fluir desinibidos, sem perder energia alguma - um fenômeno chamado supercondutividade.

Agora, uma equipe de pesquisadores do Departamento de Física da Universidade de Maryland (UMD), juntamente com colaboradores, viu uma supercondutividade exótica que depende de interações eletrônicas altamente incomuns. Embora previsto para ocorrer em outros sistemas não materiais, esse tipo de comportamento permaneceu ilusório. A pesquisa da equipe, publicado na edição de 6 de abril da Avanços da Ciência , revela efeitos profundamente diferentes de tudo o que foi visto antes com a supercondutividade.

As interações de elétrons em supercondutores são ditadas por uma propriedade quântica chamada spin. Em um supercondutor comum, elétrons, que carregam um giro de ½, emparelhar e fluir desinibido com a ajuda de vibrações na estrutura atômica. Essa teoria foi bem testada e pode descrever o comportamento da maioria dos supercondutores. Nesta nova pesquisa, a equipe descobre evidências de um novo tipo de supercondutividade no material YPtBi, um que parece surgir de partículas de spin 3/2.

"Ninguém realmente pensou que isso fosse possível em materiais sólidos, "explica Johnpierre Paglione, um professor de física UMD e autor sênior do estudo. "Estados de spin alto em átomos individuais são possíveis, mas uma vez que você coloca os átomos juntos em um sólido, esses estados geralmente se separam e você acaba com um spin meio. "

Descobrir que YPtBi era um supercondutor surpreendeu os pesquisadores em primeiro lugar. A maioria dos supercondutores começa como condutores razoavelmente bons, com muitos elétrons móveis - um ingrediente que falta no YPtBi. De acordo com a teoria convencional, YPtBi precisaria de cerca de mil vezes mais elétrons móveis para se tornar supercondutor em temperaturas abaixo de 0,8 Kelvin. E ainda, ao resfriar o material a esta temperatura, a equipe viu a supercondutividade acontecer de qualquer maneira. Este foi o primeiro sinal de que algo exótico estava acontecendo dentro deste material.

Depois de descobrir a transição supercondutora anômala, os pesquisadores fizeram medições que lhes deram uma visão sobre o emparelhamento de elétrons subjacente. Eles estudaram uma característica reveladora dos supercondutores - sua interação com os campos magnéticos. À medida que o material passa pela transição para um supercondutor, ele tentará expelir qualquer campo magnético adicionado de seu interior. Mas a expulsão não é totalmente perfeita. Perto da superfície, o campo magnético ainda pode entrar no material, mas então decai rapidamente. Até onde vai depende da natureza do par de elétrons, e muda conforme o material é resfriado cada vez mais.

Para testar esse efeito, os pesquisadores variaram a temperatura em uma pequena amostra do material, expondo-o a um campo magnético dez vezes mais fraco que o da Terra. Uma bobina de cobre em torno da amostra detectou mudanças nas propriedades magnéticas do supercondutor e permitiu que a equipe medisse com sensibilidade pequenas variações em quão profundo o campo magnético alcançava dentro do supercondutor.

A medição revelou uma intrusão magnética incomum. À medida que o material aqueceu do zero absoluto, a profundidade de penetração do campo para YPtBi aumentou linearmente em vez de exponencialmente como faria para um supercondutor convencional. Este efeito, combinado com outras medições e cálculos teóricos, restringiu as maneiras possíveis de os elétrons se emparelharem. Os pesquisadores concluíram que a melhor explicação para a supercondutividade eram os elétrons disfarçados de partículas com um spin mais alto - uma possibilidade que nem havia sido considerada antes na estrutura da supercondutividade convencional.

A descoberta deste supercondutor de alta rotação deu uma nova direção para este campo de pesquisa. "Costumávamos ficar confinados a emparelhar com partículas de spin meio, "diz Hyunsoo Kim, autor principal e cientista assistente de pesquisa da UMD. "Mas se começarmos a considerar um spin mais alto, então, a paisagem dessa pesquisa supercondutora se expande e fica mais interessante. "

Por enquanto, muitas questões em aberto permanecem, incluindo como tal emparelhamento poderia ocorrer em primeiro lugar. "Quando você tem esse emparelhamento de alta rotação, qual é a cola que mantém esses pares juntos? "diz Paglione." Existem algumas idéias do que pode estar acontecendo, mas permanecem questões fundamentais - o que o torna ainda mais fascinante. "