Pesquisadores nordestinos usaram um poderoso modelo de computador para sondar uma classe intrigante de materiais à base de cobre que podem ser transformados em supercondutores. Suas descobertas oferecem pistas tentadoras para um mistério de décadas, e um passo à frente para a computação quântica.

A capacidade de um material de permitir que a eletricidade flua vem da maneira como os elétrons em seus átomos estão dispostos. Dependendo desses arranjos, ou configurações, todos os materiais que existem são isolantes ou condutores de eletricidade.

Mas cuprates, uma classe de materiais misteriosos que são feitos de óxidos de cobre, são famosos na comunidade científica por terem um problema de identidade que pode torná-los isoladores e condutores.

Em condições normais, cupratos são isolantes:materiais que inibem o fluxo de elétrons. Mas com ajustes em sua composição, eles podem se transformar nos melhores supercondutores do mundo.

A descoberta desse tipo de supercondutividade em 1986 rendeu a seus descobridores o Prêmio Nobel em 1987, e fascinou a comunidade científica com um mundo de possibilidades de melhorias para supercomputação e outras tecnologias cruciais.

Mas com fascínio vieram 30 anos de perplexidade:os cientistas não foram capazes de decifrar totalmente o arranjo de elétrons que codifica para a supercondutividade em cuprates.

Mapear a configuração eletrônica desses materiais é sem dúvida um dos desafios mais difíceis da física teórica, diz Arun Bansil, Distinto Professor Universitário de Física do Nordeste. E, ele diz, porque a supercondutividade é um fenômeno estranho que só acontece em temperaturas tão baixas quanto -300 F (ou quase tão frio quanto fica em Urano), descobrir os mecanismos que tornam isso possível, em primeiro lugar, pode ajudar os pesquisadores a fazer supercondutores que funcionam à temperatura ambiente.

Agora, uma equipe de pesquisadores que inclui Bansil e Robert Markiewicz, um professor de física do Nordeste, está apresentando uma nova maneira de modelar esses estranhos mecanismos que levam à supercondutividade em cupratos.

Em um estudo publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences , a equipe previu com precisão o comportamento dos elétrons à medida que se movem para permitir a supercondutividade em um grupo de cupratos conhecido como óxidos de ítrio, bário e cobre.

Nestes cuprates, o estudo encontra, a supercondutividade emerge de muitos tipos de configurações eletrônicas. Um colossal 26 deles, para ser específico.

“Durante esta fase de transição, o material se tornará, em essência, uma espécie de sopa de diferentes fases, "Bansil diz." As personalidades divididas desses materiais maravilhosos estão agora sendo reveladas pela primeira vez. "

A física dentro dos supercondutores cupratos é intrinsecamente estranha. Markiewicz pensa nessa complexidade como o mito indiano clássico dos cegos e do elefante, que tem sido uma piada por décadas entre os físicos teóricos que estudam cuprates.

De acordo com o mito, cegos encontram um elefante pela primeira vez, e tente entender o que o animal é tocando nele. Mas porque cada um deles toca apenas uma parte de seu corpo - o tronco, cauda, ou pernas, por exemplo - todos eles têm um conceito diferente (e limitado) do que é um elefante.

"No início, todos nós olhamos [para cuprates] de maneiras diferentes, "Markiewicz diz." Mas nós sabíamos disso, cedo ou tarde, o caminho certo iria aparecer. "

Os mecanismos por trás dos cupratos também podem ajudar a explicar a intrigante física por trás de outros materiais que se transformam em supercondutores em temperaturas extremas, Markiewicz diz, e revolucionar a maneira como podem ser usados ​​para habilitar a computação quântica e outras tecnologias que processam dados em velocidades ultrarrápidas.

"Estamos tentando entender como eles se juntam nos cupratos reais usados ​​em experimentos, "Markiewicz diz.

O desafio de modelar supercondutores de cuprato se resume ao estranho campo da mecânica quântica, que estuda o comportamento e o movimento dos menores pedaços de matéria - e as estranhas regras físicas que governam tudo na escala dos átomos.

Em qualquer material - digamos, o metal em seu smartphone - elétrons contidos apenas no espaço da ponta de um dedo podem ser o número um seguido por 22 zeros, Bansil diz. Modelar a física de um número tão grande de elétrons tem sido extremamente desafiador desde que o campo da mecânica quântica nasceu.

Bansil gosta de pensar nessa complexidade como borboletas dentro de uma jarra voando rápido e habilmente para evitar colidir umas com as outras. Em um material condutor, os elétrons também se movem. E por causa de uma combinação de forças físicas, eles também se evitam. Essas características estão no cerne do que torna difícil modelar materiais cuprate.

"O problema com os cupratos é que eles estão na fronteira entre ser um metal e um isolante, e você precisa de um cálculo que seja tão bom que possa capturar sistematicamente esse cruzamento, "Markiewicz diz." Nossa nova modelagem pode capturar esse comportamento. "

A equipe inclui pesquisadores da Tulane University, Universidade de Tecnologia Lappeenranta na Finlândia, e Temple University. Os pesquisadores são os primeiros a modelar os estados eletrônicos nos cupratos sem adicionar parâmetros manualmente a seus cálculos, que os físicos tiveram que fazer no passado.

Fazer isso, os pesquisadores modelaram a energia dos átomos de óxidos de ítrio, bário e cobre em seus níveis mais baixos. Isso permite que os pesquisadores rastreiem os elétrons à medida que se excitam e se movem, que por sua vez ajuda a descrever os mecanismos que suportam a transição crítica para a supercondutividade.

Essa transição, conhecida como fase de pseudogap no material, poderia ser descrito simplesmente como uma porta, Bansil diz. Em um isolador, a estrutura do material é como uma porta fechada que não deixa ninguém passar. Se a porta estiver totalmente aberta - como seria para um condutor - os elétrons passam facilmente.

Mas em materiais que passam por essa fase de pseudogap, aquela porta estaria ligeiramente aberta. A dinâmica do que transforma essa porta em uma porta realmente aberta (ou, supercondutor) permanece um mistério, mas o novo modelo captura 26 configurações de elétrons que poderiam fazer isso.

"Com nossa capacidade de agora fazer esse tipo de modelagem sem parâmetros de primeiros princípios, estamos em posição de realmente ir mais longe, e espero começar a entender essa fase de pseudogap um pouco melhor, "Bansil diz.