O mundo do outro lado do espelho de Alice no país das maravilhas não é o que parece, mas a física espelhada da transição supercondutor-isolante opera exatamente como esperado.

Os cientistas sabem que isso é verdade após a observação de um fenômeno notável, cuja existência foi prevista há três décadas, mas que escapou à detecção experimental até agora. A observação confirma que os estados quânticos fundamentais, supercondutividade e superinsulação, ambos surgem em imagens espelhadas um do outro, o que pode levar ao desenvolvimento de sensores supersensíveis e eficientes em energia, detectores e interruptores lógicos para ciência e comunicação, armazenamento de memória e outras tecnologias emergentes.

"O comportamento que demonstramos é exatamente o comportamento previsto e esperado, "disse Valerii Vinokur, Argonne Distinguished Fellow na divisão de Ciência de Materiais do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

Vinokur e seus colegas observaram o fenômeno, chamada de transição Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT), em uma película microscopicamente fina de nitrito de nióbio e titânio supercondutor. A transição BKT de carga é a contraparte espelhada da transição BKT de vórtice que os cientistas observaram muitas vezes em materiais supercondutores. Vinokur e seus colaboradores do Instituto de Tecnologia da Califórnia e da Universidade Novosibirsk, na Rússia, publicaram suas descobertas on-line em 6 de março, 2018, no Relatórios Científicos .

"Os experimentos realizados por nossa equipe estabelecem de forma conclusiva a existência do estado superisolante e a validade de seus conceitos fundamentais, incluindo o conceito fundamental de dualidade carga-vórtice, "disse Vinokur, que também é pesquisador sênior do Instituto de Computação da Universidade de Chicago. "Os conceitos básicos por trás de nosso conhecimento sobre o universo em seu nível mais profundo são baseados no conceito de dualidade."

O conceito de dualidade na física sustenta que conjuntos fundamentais de fenômenos aparentemente se excluem, mas representam os dois lados de uma moeda. O exemplo mais conhecido de dualidade é a dualidade onda-partícula de luz que aparece no reino quântico. Materiais superisolantes e supercondutores, que são opostos exatos, perceber a dualidade entre efeitos elétricos e magnéticos. Em vez de transmitir corrente elétrica sem qualquer perda de energia, como os supercondutores fazem, superinsuladores desligam completamente o fluxo de cargas sob uma voltagem aplicada. Isso significa que supercondutores espelhados têm condutância infinita, enquanto os superinsuladores têm resistência infinita.

A última descoberta baseia-se no trabalho publicado em 2008 por Vinokur e seus associados que estabeleceram experimentalmente a existência do estado superisolante, ao mesmo tempo que propõe que "espelha" o comportamento que ocorre no estado supercondutor, derivando do conceito quântico mais fundamental, o princípio da incerteza. Físicos teóricos do CERN (o laboratório europeu de física de partículas), a Universidade de Genebra e a Universidade de Perugia — Cristina Diamantini, Carlo Trugenberger e Pascuale Sodano - previram a existência deste estado de superinsulação, dual para supercondutividade, em 1996. Mas tão inesperada foi a descoberta do estado superisolante que a equipe de Vinokur inicialmente não teve conhecimento da previsão.

A transição BKT que está na base da dualidade supercondutor-isolante é nomeada em homenagem ao falecido Vadim Berezinskii, Michael Kosterlitz e David Thouless. Kosterlitz e Thouless colaboraram no início dos anos 1970 para desenvolver sua teoria das transições de fase topológica, que são bem diferentes das transições de fase comumente conhecidas na prática cotidiana da física da época.

Essas transições de fase habituais se manifestam como uma mudança abrupta no estado da matéria, como gelo derretendo em água, ou água fervendo em vapor, em alguma temperatura crítica. As transições de fase topológica são como desatar os nós de uma gravata, Contudo. "Você tem uma mudança clara nas propriedades do sistema, sem fazer nenhuma mudança material visível nas propriedades da gravata, "Vinokur disse.

Berezinskii desenvolveu de forma independente ideias semelhantes, eventualmente levando a numerosas observações de transições de vórtice BKT em milhares de experimentos de supercondutividade ao longo das décadas. Contudo, até agora, os cientistas nunca haviam observado conclusivamente o reflexo espelhado da transição BKT do vórtice - a transição BKT de carga - no lado superisolante da transição supercondutor-isolante.

Kosterlitz, Thouless e Duncan Haldane compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 2016 por "descobertas teóricas de transições de fase topológica e fases topológicas da matéria, "tendo desenvolvido os métodos matemáticos avançados necessários para explicar as transições de fase que ocorrem em estados incomuns da matéria, incluindo materiais supercondutores e filmes magnéticos finos.

Um caminho futuro de pesquisa para Vinokur e seus colegas será aumentar a temperatura na qual seu composto de nitrito de titânio e nióbio passa para o estado de superinsulação. A temperatura de transição está agora entre 100 e 200 milikelvin, que é apenas uma fração de grau acima do zero absoluto (menos 459,6 graus Fahrenheit). Mas aumentar a temperatura de transição para 4 kelvin (menos 452,4 graus Fahrenheit) constituiria um avanço tecnológico.

"Isso significa que poderíamos usar esses materiais no espaço, porque 4 Kelvin é a temperatura do espaço, "Vinokur disse. As possíveis aplicações espaciais para tais materiais superisolantes incluem detectores supersensíveis para medir a radiação eletromagnética e outros fenômenos, e interruptores para dispositivos eletrônicos, como diodos de economia de energia.