Supercondutores de alta temperatura têm o potencial de transformar tudo, desde a transmissão e geração de eletricidade até o transporte.

Os materiais, em que os pares de elétrons viajam sem atrito - o que significa que nenhuma energia é perdida à medida que se movem - poderia melhorar drasticamente a eficiência energética dos sistemas elétricos.

Compreender como os elétrons se movem através desses materiais complexos pode, em última análise, ajudar os pesquisadores a projetar supercondutores que operam em temperatura ambiente, expandindo dramaticamente seu uso.

Contudo, apesar de décadas de pesquisa, pouco se sabe sobre a complexa interação entre o spin e a carga dos elétrons em materiais supercondutores, como cupratos, ou materiais que contenham cobre.

Agora, em um artigo publicado hoje na revista Ciência , pesquisadores do MIT revelaram um novo sistema no qual átomos ultracold são usados ​​como modelo para elétrons em materiais supercondutores.

Os pesquisadores, liderado por Martin Zwierlein, o Thomas A. Frank Professor de Física do MIT, usei o sistema, que eles descrevem como um "emulador quântico, "para realizar o modelo de Fermi-Hubbard de partículas interagindo dentro de uma rede.

O modelo Fermi-Hubbard, que se acredita explicar a base para a supercondutividade de alta temperatura, é extremamente simples de descrever, e ainda tem se mostrado impossível de resolver, de acordo com Zwierlein.

"O modelo consiste apenas em átomos ou elétrons pulando em uma rede, e então, quando eles estão um em cima do outro no mesmo local de treliça, eles podem interagir, "ele diz." Mas embora este seja o modelo mais simples de elétrons interagindo dentro desses materiais, não há computador no mundo que possa resolvê-lo. "

Então, ao invés, os pesquisadores construíram um emulador físico no qual os átomos atuam como substitutos dos elétrons.

Para construir seu emulador quântico, os pesquisadores usaram feixes de laser interferindo uns com os outros para produzir uma estrutura cristalina. Eles então confinaram cerca de 400 átomos dentro desta rede óptica, em uma caixa quadrada.

Quando eles inclinam a caixa aplicando um gradiente de campo magnético, eles são capazes de observar os átomos enquanto se movem, e medir sua velocidade, dando-lhes a condutividade do material, Zwierlein diz.

"É uma plataforma maravilhosa. Podemos olhar para cada átomo individualmente conforme ele se move, que é único; não podemos fazer isso com elétrons, "ele diz." Com elétrons você só pode medir quantidades médias. "

O emulador permite aos pesquisadores medir o transporte, ou movimento, da rotação dos átomos, e como isso é afetado pela interação entre os átomos dentro do material. Medir o transporte de spin não foi possível em cuprates até agora, como os esforços foram inibidos por impurezas nos materiais e outras complicações, Zwierlein diz.

Ao medir o movimento de rotação, os pesquisadores foram capazes de investigar como ela difere da carga.

Uma vez que os elétrons carregam sua carga e giram com eles à medida que se movem através de um material, o movimento das duas propriedades deve ser essencialmente travado, Zwierlein diz.

Contudo, a pesquisa demonstra que não é esse o caso.

"Mostramos que os spins podem se difundir muito mais lentamente do que carregar em nosso sistema, " ele diz.

Os pesquisadores então estudaram como a força das interações entre os átomos afeta o quão bem o spin pode fluir, de acordo com o estudante de graduação do MIT Matthew Nichols, o autor principal do artigo.

"Descobrimos que grandes interações podem limitar os mecanismos disponíveis que permitem que os spins se movam no sistema, de modo que o fluxo de rotação diminui significativamente à medida que as interações entre os átomos aumentam, "Diz Nichols.

Quando eles compararam suas medições experimentais com cálculos teóricos de última geração realizados em um computador clássico, eles descobriram que as fortes interações presentes no sistema tornavam cálculos numéricos precisos muito difíceis.

"Isso demonstrou a força de nosso sistema de átomo ultracold para simular aspectos de outro sistema quântico, os materiais cuprate, e para superar o que pode ser feito com um computador clássico, "Diz Nichols.

Propriedades de transporte em materiais fortemente correlacionados são geralmente muito difíceis de calcular usando computadores clássicos, e alguns dos mais interessantes, e praticamente relevante, materiais como supercondutores de alta temperatura ainda são mal compreendidos, diz Zoran Hadzibabic, um professor de física na Universidade de Cambridge, que não participou da pesquisa.

"(Os pesquisadores) estudam o transporte de spin, o que não é apenas difícil de calcular, mas também experimentalmente extremamente difícil de estudar em materiais convencionais fortemente correlacionados, e, assim, fornecer uma visão única sobre as diferenças entre o transporte de carga e rotação, "Hadzibabic diz.

Complementar ao trabalho do MIT no transporte de rotação, o transporte de carga foi medido pelo grupo do Professor Waseem Bakr na Universidade de Princeton, elucidando na mesma edição de Ciência como a condutividade da carga depende da temperatura.

A equipe do MIT espera realizar mais experimentos usando o emulador quântico. Por exemplo, uma vez que o sistema permite que os pesquisadores estudem o movimento de átomos individuais, eles esperam investigar como o movimento de cada um difere daquele da média, para estudar o "ruído" atual no nível atômico.

"Até agora medimos a corrente média, mas o que também gostaríamos de fazer é observar o ruído do movimento das partículas; alguns são um pouco mais rápidos do que outros, então há toda uma distribuição sobre a qual podemos aprender, "Zwierlein diz.

Os pesquisadores também esperam estudar como o transporte muda com a dimensionalidade, passando de uma folha de átomos bidimensional a um fio unidimensional.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.