Os físicos descobriram "emparelhamento de elétrons, "uma característica marcante da supercondutividade, em temperaturas e energias bem acima do limite crítico onde a supercondutividade acontece.

Doug Natelson, da Rice University, co-autor correspondente de artigo sobre o trabalho desta semana Natureza , disse a descoberta de pares de elétrons de Cooper "um pouco acima da temperatura crítica não será uma 'surpresa incrível' para algumas pessoas. O que é mais estranho é que parece que há duas escalas de energia diferentes. Há uma escala de energia mais alta onde os pares se formam, e há uma escala de energia mais baixa, onde todos decidem dar as mãos e agir coletivamente e de forma coerente, o comportamento que realmente produz supercondutividade. "

A resistência elétrica é tão comum no mundo moderno que a maioria de nós dá como certo que os computadores, smartphones e aparelhos elétricos aquecem durante o uso. Esse aquecimento ocorre porque a eletricidade não flui livremente pelos fios de metal e chips de silício dentro dos dispositivos. Em vez de, elétrons fluindo ocasionalmente colidem com átomos ou uns com os outros, e cada colisão produz uma pequena quantidade de calor.

Os físicos sabem desde 1911 que a eletricidade pode fluir sem resistência em materiais chamados supercondutores. E em 1957, eles descobriram o porquê:sob condições específicas, incluindo temperaturas tipicamente muito frias, elétrons se unem em pares - algo que normalmente é proibido devido à sua repulsão mútua - e como pares, eles podem fluir livremente.

"Para obter supercondutividade, o sentimento geral é que você precisa de pares, e você precisa alcançar algum tipo de coerência entre eles, "disse Natelson, que fez parceria na pesquisa com especialistas da Rice, Laboratório Nacional de Brookhaven e Universidade de Connecticut. "A questão, por muito tempo, era, "Quando você consegue pares?" Porque em supercondutores convencionais, assim que você formou pares, seguir-se-iam coerência e supercondutividade. "

Os pares de elétrons são nomeados em homenagem a Leon Cooper, o físico que os descreveu pela primeira vez. Além de explicar a supercondutividade clássica, físicos acreditam que pares de Cooper trazem supercondutividade de alta temperatura, uma variante não convencional descoberta na década de 1980. Foi apelidado de "alta temperatura" porque ocorre em temperaturas que, embora ainda muito frio, são consideravelmente maiores do que os supercondutores clássicos. Os físicos sonham há muito tempo em fazer supercondutores de alta temperatura que funcionam à temperatura ambiente, um desenvolvimento que mudaria radicalmente a forma como a energia é produzida, movido e usado em todo o mundo.

Mas, embora os físicos tenham uma compreensão clara de como e por que o emparelhamento de elétrons acontece em supercondutores clássicos, o mesmo não pode ser dito de supercondutores de alta temperatura como o óxido de cobre e estrôncio de lantânio (LSCO) apresentado no novo estudo.

Todo supercondutor tem uma temperatura crítica na qual a resistência elétrica desaparece. Natelson disse que teorias e estudos de supercondutores de óxido de cobre nos últimos 20 anos sugeriram que os pares Cooper se formam acima dessa temperatura crítica e só se tornam coerentemente móveis quando o material é resfriado à temperatura crítica.

"Se isso é verdade, e você já tem pares em temperaturas mais altas, a questão é, 'Você também pode obter coerência nessas temperaturas?' "Natelson disse." Você pode de alguma forma convencê-los a começar sua dança na região conhecida como pseudogap, um espaço de fase em temperaturas e escalas de energia mais altas do que a fase supercondutora. "

No Natureza estude, Natelson e colegas encontraram evidências desse emparelhamento de energia mais alta no ruído de condução em amostras de LCSO ultrapuras cultivadas no laboratório de Ivan Božović de Brookhaven, co-autor correspondente do estudo.

"Ele cultiva o melhor material do mundo, e nossas medições e conclusões só foram possíveis devido à pureza dessas amostras, "Natelson disse." Ele e sua equipe fizeram dispositivos chamados junções de túnel, e em vez de apenas olhar para a corrente elétrica, observamos as flutuações na corrente chamada ruído de disparo.

"Na maioria dos casos, se você medir a corrente, você está medindo uma média e ignorando o fato de que a corrente vem em pedaços de carga, Natelson disse. "É algo como a diferença entre medir a precipitação média diária em sua casa e não medir o número de gotas de chuva que estão caindo em um determinado momento."

Ao medir a variação na quantidade discreta de carga elétrica que flui através das junções LCSO, Natelson e seus colegas descobriram que a passagem de um único elétron não poderia explicar a quantidade de carga que flui através das junções em temperaturas e tensões bem acima da temperatura crítica onde a supercondutividade ocorreu.

"Parte da carga deve vir em pedaços maiores, quais são os pares, "disse ele." Isso é incomum, porque em um supercondutor convencional, uma vez que você vai acima da escala de energia característica associada à supercondutividade, os pares se separam, e você vê apenas cobranças únicas.

"Parece que LCSO contém outra escala de energia onde os pares se formam, mas ainda não estão agindo coletivamente, "Natelson disse." As pessoas já ofereceram teorias sobre esse tipo de coisa, mas esta é a primeira evidência direta para isso. "

Natelson disse que é muito cedo para dizer se os físicos podem fazer uso do novo conhecimento para persuadir os pares a fluir livremente em temperaturas mais altas em supercondutores não convencionais. Mas Božović disse que a descoberta tem "profundas implicações" para os físicos teóricos que estudam supercondutores de alta temperatura e outros tipos de matéria condensada.

"Em algum sentido, os capítulos do livro devem ser reescritos, "Božović disse." A partir deste estudo, parece que temos um novo tipo de metal, em que uma fração significativa da corrente elétrica é transportada por pares de elétrons. Do lado experimental, Espero que esta descoberta desencadeie muito trabalho de acompanhamento, por exemplo, usando a mesma técnica para testar outros cupratos ou supercondutores, isoladores e espessuras de camada. "