Imagens de luz polarizada mostram aos pesquisadores como os elétrons, representado por cruzes vermelhas, em suas amostras de teste se comportam em circunstâncias diferentes. Crédito:© 2020 Okazaki et al.
A supercondutividade é um fenômeno no qual um circuito elétrico perde sua resistência e se torna extremamente eficiente sob certas condições. Existem diferentes maneiras em que isso pode acontecer, que foram considerados incompatíveis. Pela primeira vez, pesquisadores descobriram uma ponte entre dois desses métodos para alcançar a supercondutividade. Este novo conhecimento pode levar a uma compreensão mais geral do fenômeno, e um dia para aplicativos.
Existem três estados conhecidos da matéria:sólido, líquido e gás. Existe um quarto estado da matéria chamado plasma, que é como um gás que ficou tão quente que todos os seus átomos constituintes se separaram, deixando para trás uma bagunça superaquecida de partículas subatômicas. Mas existe um quinto estado da matéria na extremidade oposta completa do termômetro, conhecido como condensado de Bose-Einstein (BEC).
"Um BEC é um estado único da matéria, pois não é feito de partículas, mas sim ondas, "disse o professor associado Kozo Okazaki do Instituto de Física do Estado Sólido da Universidade de Tóquio." À medida que eles esfriam quase até o zero absoluto, os átomos de certos materiais se espalham pelo espaço. Essa mancha aumenta até que os átomos - agora mais como ondas do que partículas - se sobreponham, tornando-se indistinguíveis um do outro. A matéria resultante se comporta como se fosse uma única entidade com novas propriedades do sólido anterior, estado líquido ou gasoso em falta, como a supercondução. Até recentemente, os BECs supercondutores eram puramente teóricos, mas agora demonstramos isso no laboratório com um novo material à base de ferro e selênio (um elemento não metálico). "
Esta é a primeira vez que um BEC foi verificado experimentalmente para funcionar como um supercondutor; Contudo, outras manifestações da matéria, ou regimes, também pode dar origem à supercondução. O regime de Bardeen-Cooper-Shrieffer (BCS) é um arranjo de matéria que, quando resfriado a quase zero absoluto, os átomos constituintes desaceleram e se alinham, o que permite que os elétrons passem mais facilmente. Isso efetivamente traz a resistência elétrica de tais materiais a zero. Tanto o BCS quanto o BEC requerem condições de congelamento e ambos envolvem a desaceleração dos átomos. Mas esses regimes são completamente diferentes. Por muito tempo, pesquisadores acreditam que uma compreensão mais geral da supercondução poderia ser alcançada se esses regimes pudessem se sobrepor de alguma forma.
Essas linhas coloridas não são apenas para exibição, eles dizem aos pesquisadores abaixo de qual temperatura, neste caso, cerca de 10 Kelvins, uma amostra exibe comportamento supercondutor. Crédito:© 2020 Okazaki et al.
"Demonstrar a supercondutividade dos BECs era um meio para um fim; realmente esperávamos explorar a sobreposição entre os BECs e os BCSs, "disse Okazaki." Foi extremamente desafiador, mas nosso aparato e método de observação únicos o verificaram - há uma transição suave entre esses regimes. E isso sugere uma teoria subjacente mais geral por trás da supercondução. É um momento emocionante para trabalhar neste campo. "
Okazaki e sua equipe usaram o método de espectroscopia de fotoemissão baseada em laser de resolução ultrabaixa e alta resolução de energia para observar o comportamento dos elétrons durante a transição de um material de BCS para BEC. Os elétrons se comportam de maneira diferente nos dois regimes e a mudança entre eles ajuda a preencher algumas lacunas no quadro mais amplo da supercondução.
A supercondução não é apenas uma curiosidade de laboratório; dispositivos supercondutores, como eletroímãs, já são usados em aplicações, o Grande Colisor de Hádrons, o maior acelerador de partículas do mundo, sendo um exemplo. Contudo, como explicado acima, estes requerem temperaturas ultracold que proíbem o desenvolvimento de dispositivos supercondutores que poderíamos esperar ver todos os dias. Portanto, não é surpresa que haja um grande interesse em encontrar maneiras de formar supercondutores em temperaturas mais altas, talvez um dia até a temperatura ambiente.
"Com evidências conclusivas de BECs supercondutores, Acho que vai levar outros pesquisadores a explorar a supercondução em temperaturas cada vez mais altas, "disse Okazaki." Pode soar como ficção científica por enquanto, mas se a supercondução pode ocorrer perto da temperatura ambiente, nossa capacidade de produzir energia aumentaria muito, e nossas necessidades de energia diminuiriam. "
