Os materiais podem assumir propriedades completamente diferentes dependendo da temperatura, pressão, tensão elétrica ou outras grandezas físicas. Na física teórica do estado sólido, modelos de computador de última geração são usados ​​para compreender essas propriedades em detalhes. Às vezes isso funciona bem, mas às vezes ocorrem efeitos estranhos que ainda parecem intrigantes - como fenômenos ligados à supercondutividade de alta temperatura.

Alguns anos atrás, os cientistas da TU Wien já foram capazes de esclarecer matematicamente onde está o limite entre a área que segue as regras conhecidas e a área onde efeitos incomuns desempenham um papel importante. Agora, com a ajuda de cálculos complexos em supercomputadores, foi possível, pela primeira vez, explicar exatamente o que acontece quando esse limite é cruzado:A repulsão entre os elétrons é repentinamente contrabalançada por uma força atrativa adicional que permite efeitos completamente contra-intuitivos.

Semelhante à forma como as moléculas de água se combinam para formar gotículas, os elétrons podem então se juntar em certos pontos, como se estivessem parcialmente grudados. Os resultados, que foram obtidos em uma cooperação internacional entre a TU Wien, a Universidade de Würzburg, a University of L'Aquila e a Georgetown University em Washington D.C., já foram publicados no jornal Cartas de revisão física .

Ao infinito e além

"Os elétrons são carregados negativamente, eles se repelem. Portanto, elétrons que se movem através do material são espalhados por outros elétrons, "diz o Prof. Alessandro Toschi do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien." No entanto, essa dispersão nem sempre é igualmente forte. É possível que a repulsão entre os elétrons seja filtrada no material. Isso depende de muitos fatores, como a composição química do material. "

Exatamente no limite onde os efeitos incomuns começam a aparecer, os processos de espalhamento entre os elétrons tornam-se teoricamente infinitamente fortes devido à falta de blindagem. Isso é conhecido como "divergência" - e essas divergências representam um grande desafio para a pesquisa. "Por muito tempo, houve uma discussão muito controversa:essas divergências têm realmente um significado físico real? ", diz Patrick Chalupa, que está pesquisando esse problema como parte de sua dissertação no grupo de Alessandro Toschi. "Conseguimos responder a esta pergunta:Sim, essas divergências não são apenas uma curiosidade matemática, mas a chave para uma melhor compreensão dos efeitos materiais importantes, "diz Matthias Reitner, que escreveu sua tese de mestrado sobre este tema.

Se você se aproxima do limite matemático, a repulsão se torna cada vez mais forte. No limite, o espalhamento correspondente entre os elétrons torna-se infinitamente grande, mas se você cruzar o limite, algo surpreendente acontece:a repulsão repentinamente causa uma atração adicional. Esta atração efetiva força os elétrons a se reunirem em certos pontos em um espaço confinado, como se estivessem parcialmente grudados. Essa mudança drástica de comportamento está intimamente relacionada à ocorrência das divergências.

Transição de fase, semelhante ao vapor de água

“O resultado é uma situação que lembra água líquida e vapor d'água, "diz Alessandro Toschi, "sob certas condições, há uma atração entre as moléculas de água. Elas se ligam e criam uma mistura de gotículas líquidas e vapor gasoso. No entanto, a origem desta atração é completamente diferente nos dois casos. "

Pela primeira vez, foi possível obter uma imagem detalhada do que acontece em tais situações de uma perspectiva da ciência dos materiais em um nível microscópico. "Isso significa que agora é possível entender exatamente por que certas abordagens matemáticas, os chamados métodos perturbativos, não produziu o resultado certo, "diz Patrick Chalupa.

Esse novo insight microscópico pode ser a peça que faltava no quebra-cabeça para a compreensão teórica dos chamados supercondutores não convencionais. Estes são materiais à base de ferro, cobre ou níquel que podem ser supercondutores sob certas condições até temperaturas incrivelmente altas. "Talvez possamos finalmente responder a algumas das questões essenciais que permaneceram sem resposta desde a descoberta desses misteriosos materiais há 40 anos, "espera Matthias Reitner.