Quarenta e cinco anos depois que a supercondutividade foi descoberta pela primeira vez em metais, a física que deu origem a ele foi finalmente explicada em 1957 na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, na teoria da supercondutividade de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS).

Trinta anos após essa conquista de referência, um novo mistério confrontou os físicos da matéria condensada:a descoberta em 1987 do óxido de cobre ou supercondutores de alta temperatura. Agora comumente conhecido como cuprates, essa nova classe de materiais demonstrou física que estava totalmente fora da teoria BCS. Os cupratos são isolantes à temperatura ambiente, mas transição para uma fase supercondutora em uma temperatura crítica muito mais alta do que os supercondutores BCS tradicionais. (A temperatura crítica dos cupratos pode ser tão alta quanto 170 Kelvin - isto é -153,67 ° F - em oposição à temperatura crítica muito mais baixa de 4 Kelvin - ou -452,47 ° F - para o mercúrio, um supercondutor BCS.)

A descoberta de supercondutores de alta temperatura, agora, mais de 30 anos atrás, parecia prometer que uma série de novas tecnologias estavam no horizonte. Afinal, a fase supercondutora dos cupratos pode ser alcançada usando nitrogênio líquido como refrigerante, em vez do hélio líquido, muito mais caro e raro, necessário para resfriar os supercondutores BCS. Mas até que o comportamento supercondutor incomum e inesperado desses isoladores possa ser explicado teoricamente, essa promessa permanece amplamente não cumprida.

Uma efusão de pesquisas em física experimental e teórica procurou descobrir uma explicação satisfatória para a supercondutividade nos cupratos. Mas hoje, esta talvez seja a questão não resolvida mais urgente na física da matéria condensada.

Agora, uma equipe de físicos teóricos do Instituto de Teoria da Matéria Condensada (ICMT) no Departamento de Física da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, liderado pelo professor de física de Illinois, Philip Phillips, pela primeira vez, resolveu exatamente um modelo representativo do problema do cuprate, o modelo Hatsugai-Kohmoto (HK) de 1992 de um isolador dopado Mott.

A equipe publicou suas descobertas online no jornal Física da Natureza em 27 de julho, 2020.

"Além da diferença óbvia nas temperaturas supercondutoras, os cuprates começam suas vidas como isoladores de Mott, em que os elétrons não se movem independentemente como em um metal, mas sim estão interagindo fortemente, "explica Phillips." São as interações fortes que os fazem isolar tão bem. "

Em sua pesquisa, A equipe de Phillips resolve exatamente o análogo do problema de 'emparelhamento de Cooper' da teoria BCS, mas agora para um isolador Mott dopado.

O que é "emparelhamento Cooper"? Leon Cooper demonstrou este elemento-chave da teoria BCS:o estado normal de um metal supercondutor tradicional é instável a uma interação atrativa entre pares de elétrons. Na temperatura crítica de um supercondutor BCS, Os pares de elétrons da Cooper viajam sem resistência através do metal - isso é supercondutividade!

"Este é o primeiro artigo a mostrar exatamente que existe uma instabilidade de Cooper até mesmo em um modelo de brinquedo de um isolador dopado de Mott, "observa Phillips." A partir disso, mostramos que a supercondutividade existe e que as propriedades diferem drasticamente da teoria BCS padrão. Este problema se provou tão difícil, apenas a fenomenologia numérica ou sugestiva era possível antes de nosso trabalho. "

Phillips credita ao Fellow de pós-doutorado do ICMT, Edwin Huang, a escrita do análogo da função de onda BCS para o estado supercondutor, para o problema de Mott.

"A função de onda é o ponto-chave que você precisa para dizer que um problema está resolvido, "Phillips diz." A função de onda de John Robert Schrieffer acabou sendo o burro de carga computacional de toda a teoria BCS. Todos os cálculos foram feitos com ele. Para problemas de interação de elétrons, é notoriamente difícil escrever uma função de onda. Na verdade, até agora, apenas duas funções de onda foram calculadas que descrevem os estados interativos da matéria, um de Robert Laughlin no efeito Hall quântico fracionário, e o outro por Schrieffer no contexto da teoria BCS. Portanto, o fato de Edwin ter sido capaz de fazer isso para esse problema é uma façanha. "

Questionado sobre por que os cuprates provaram ser um mistério para os físicos, Phillips explica, "Na verdade, são as fortes interações no estado de Mott que impediram uma solução para o problema da supercondutividade nos cupratos. Tem sido difícil até mesmo demonstrar o análogo do problema de emparelhamento de Cooper em qualquer modelo de isolador Mott dopado. "

A função de onda isolante Mott de Huang habilitou ainda mais Phillips, Huang, e o estudante de graduação em física Luke Yeo para resolver um quebra-cabeça experimental fundamental nos cuprates, conhecido como "mudança de cor". Ao contrário dos metais, os cupratos exibem uma absorção aprimorada de radiação em baixas energias com uma diminuição concomitante na absorção em altas energias. A equipe de Phillips mostrou que esse comportamento surge dos resquícios do que Phillips chama de "física de Mott" ou "Mottness" no estado supercondutor.

Mottness é um termo cunhado por Phillips para encapsular certas propriedades coletivas dos isoladores de Mott, previsto pela primeira vez logo após a Segunda Guerra Mundial pelo físico britânico e ganhador do Nobel Nevill Francis Mott.

Além disso, os pesquisadores mostraram que a densidade do superfluido, que foi observado ser suprimido nos cupratos em relação ao seu valor em metais, também é uma consequência direta do mottness do material.

Avançar, A equipe de Phillips foi além do problema de Cooper para demonstrar que o modelo tem propriedades supercondutoras que estão fora da teoria BCS.

"Por exemplo, "Phillips explica, "a razão entre a temperatura de transição e a lacuna de energia no estado supercondutor excede amplamente a da teoria BCS. Além disso, nosso trabalho mostra que as excitações elementares no estado supercondutor também estão fora do paradigma BCS, pois surgem da ampla gama de escalas de energia intrínsecas ao estado de Mott. "