p Uma teoria de 2017 proposta por físicos da Rice University para explicar o comportamento contraditório de um supercondutor de alta temperatura à base de ferro está ajudando a resolver um quebra-cabeça em um tipo diferente de supercondutor não convencional, o composto de "fermion pesado" conhecido como CeCu ₂ Si ₂ . p Uma equipe internacional dos EUA, China, Alemanha e Canadá relataram as descobertas esta semana no Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS). O estudo se concentrou em um cério, cobre e composto de silício, cujo comportamento estranho em 1979 ajudou a inaugurar o campo multidisciplinar dos materiais quânticos.

p Aquele ano, uma equipe liderada por Frank Steglich do Instituto Max Planck, um co-autor no PNAS papel, descobri que CeCu ₂ Si ₂ tornou-se um supercondutor em temperaturas extremamente baixas. O mecanismo de supercondutividade não pode ser explicado pela teoria existente, e a descoberta foi tão inesperada e incomum que muitos físicos inicialmente se recusaram a aceitá-la. A descoberta de 1986 da supercondutividade em temperaturas ainda mais altas na cerâmica de cobre cristalizou o interesse no campo e passou a dominar a carreira de físicos teóricos como Qimiao Si de Rice, uma PNAS co-autor do estudo e o professor de física e astronomia Harry C. e Olga K. Wiess.

p Si, cuja colaboração de décadas com Steglich levou a quase duas dezenas de estudos revisados ​​por pares, disse, "Em meus sonhos mais loucos, Eu não tinha pensado que a teoria que propusemos para os supercondutores à base de ferro voltaria para a outra parte da minha vida, que são os supercondutores de férmions pesados. "

p Férmions pesados, como supercondutores de alta temperatura, são o que os físicos chamam de materiais quânticos devido ao papel fundamental que as forças quânticas desempenham em seu comportamento. Em supercondutores de alta temperatura, por exemplo, os elétrons formam pares e fluem sem resistência em temperaturas consideravelmente mais quentes do que as necessárias para a supercondutividade convencional. Em férmions pesados, os elétrons parecem ser milhares de vezes mais massivos do que deveriam.

p Em 2001, Si, que também dirige o Centro de arroz para materiais quânticos (RCQM), ofereceu uma teoria pioneira de que esses fenômenos surgem em pontos de transição críticos, pontos de inflexão onde mudanças na pressão ou outras condições provocam uma transição de um estado quântico para outro. No ponto de inflexão, ou "ponto crítico quântico, "os elétrons podem desenvolver uma espécie de personalidade dividida à medida que tentam ultrapassar a linha entre os estados.

p O caso da supercondutividade ilustra como isso pode funcionar. Em um fio de cobre normal, a resistência elétrica surge quando os elétrons que fluem se chocam e se chocam contra os átomos no fio. Cada solavanco custa uma pequena quantidade de energia, que é perdido para o calor. Em supercondutores, os elétrons evitam essa perda emparelhando e fluindo em uníssono, sem solavancos.

p Como os elétrons estão entre as partículas subatômicas mais anti-sociais, eles se repelem e se unem apenas em circunstâncias extraordinárias. No caso de supercondutores convencionais, pequenas variações no espaçamento entre os átomos em um fio super-resfriado podem induzir os elétrons a um casamento de conveniência. O mecanismo em supercondutores não convencionais é diferente.

p "Nosso entendimento unificador é que, se dois elétrons trabalharem muito para se repelirem, ainda pode haver uma força atrativa, - disse Si. - Se estou me mudando porque não gosto de estar perto de você, e voce esta fazendo o mesmo, e ainda não podemos estar muito distantes, torna-se uma espécie de dança. Os pares em supercondutores de alta temperatura se movem em relação um ao outro, não muito diferente de dois parceiros de dança que giram, mesmo enquanto eles se movem juntos pela pista de dança. "

p A teoria de 2017 apresentada por Si e o então aluno de graduação Emilian Nica, agora um pós-doutorado associado de pesquisa no Quantum Materials Institute da University of British Columbia, postulou que o emparelhamento seletivo dentro de orbitais atômicos poderia explicar alguns resultados experimentais intrigantes de alguns dos supercondutores de alta temperatura, selenetos de ferro alcalino.

p Alguns experimentos mostraram que os pares em selenetos de ferro alcalino se comportavam como se tivessem um momento angular de zero, a que os físicos se referem com o termo onda s, enquanto outros experimentos indicaram que os pares tinham um momento angular de dois, que os físicos chamam de onda d. Essa diferença é profunda porque o momento angular é um identificador fundamental para os elétrons. Assim como maçãs e laranjas são encontradas em diferentes lixeiras no armazém, emparelhamentos de onda s e onda d não se misturam e são encontrados em materiais diferentes.

p "O que a tese de Nica apresentou foi que você pode ter um estado supercondutor no qual os pares de elétrons associados a um orbital de uma subcamada são muito diferentes daqueles de outro orbital intimamente relacionado na mesma subcamada porque têm um sinal oposto, "Si disse.

p "A razão pela qual propusemos este estado de emparelhamento multi-orbital foi porque as medições de algumas coisas, como respostas magnéticas, mostraria que os selenetos de ferro alcalino tinham características canônicas de onda d, e outras medidas, como emissão de foto angular resolvida, revelaram atributos associados a supercondutores de onda s.

p “Os experimentos no supercondutor à base de ferro já haviam sido feitos, e oferecemos uma explicação, um estado de emparelhamento que era estável e robusto, e ainda assim todas essas propriedades aparentemente contraditórias que foram experimentalmente observadas. "

p Quando os experimentos de 2017 no Japão revelaram algumas propriedades intrigantes em CeCu ₂ Si ₂ , Si disse a Steglich que a teoria seletiva orbital pode ser capaz de explicá-los. Juntos, eles juntaram forças com a equipe experimental do físico Huiqiu Yuan, vice-diretor do Centro de Assuntos Correlacionados da Universidade de Zhejiang em Hangzhou, China, para testar a ideia.

p A teoria de Si e Nica previu que os experimentos revelariam um conjunto específico de medições aparentemente contraditórias de CeCu2Si2, contanto que o material pudesse ser resfriado a uma temperatura ainda mais fria do que o ponto de inflexão que provoca a supercondutividade. O grupo de Yuan realizou os experimentos e confirmou a previsão.

p "A evidência histórica sempre foi de que o emparelhamento neste material é onda d, "Nica disse." Mas os experimentos confirmaram que, de fato, apesar de todas as evidências esmagadoras de que é d-wave, ele tem um recurso chamado 'lacunas totalmente abertas', que normalmente está associado a supercondutores de onda S. A nossa é a única teoria apresentada até agora que pode explicar isso. "

p Si disse, "É extremamente satisfatório em vários níveis. Um deles é que, embora a física da matéria condensada ofereça muitos materiais que podem hospedar propriedades fascinantes, no final das contas, estamos buscando princípios unificadores, especialmente como teóricos. Tenho procurado ativamente por esses princípios unificadores há anos, mas não estávamos procurando ativamente uma explicação unificadora quando propusemos essa teoria. Para vê-lo aplicado, para tal efeito, em outro cenário completamente inesperado foi uma verdadeira surpresa. "