Quando alguns materiais são resfriados a uma certa temperatura, eles perdem resistência elétrica, tornando-se supercondutores.
Nesse estado, uma carga elétrica pode percorrer o material indefinidamente, tornando os supercondutores um recurso valioso para a transmissão de grandes volumes de eletricidade e outras aplicações. Supercondutores transportam eletricidade entre Long Island e Manhattan. Eles são usados ​​em dispositivos de imagens médicas, como máquinas de ressonância magnética, em aceleradores de partículas e em ímãs, como os usados ​​em trens maglev. Mesmo materiais inesperados, como certos materiais cerâmicos, podem se tornar supercondutores quando resfriados o suficiente.

Mas os cientistas anteriormente não entendiam o que ocorre em um material para torná-lo um supercondutor. Especificamente, como funciona a supercondutividade de alta temperatura, que ocorre em alguns materiais de óxido de cobre, não foi previamente compreendido. Uma teoria de 1966 examinando um tipo diferente de supercondutores postulou que os elétrons que giram em direções opostas se unem para formar o que é chamado de par de Cooper e permitem que a corrente elétrica passe livremente pelo material.

Dois estudos liderados pela Universidade de Michigan examinaram como a supercondutividade funciona e descobriram, no primeiro artigo, que cerca de 50% da supercondutividade pode ser atribuída à teoria de 1966 – mas a realidade, examinada no segundo artigo, é um pouco mais complicado. Os estudos, liderados pelo recente doutorado da U-M Xinyang Dong e pelo físico da U-M Emanuel Gull, foram publicados na revista Nature Physics. e os Proceedings of the National Academy of Science.

Os elétrons flutuando em um cristal precisam de algo para ligá-los, disse Gull. Uma vez que você tem dois elétrons ligados, eles constroem um estado supercondutor. Mas o que une esses elétrons? Os elétrons normalmente se repelem, mas a teoria de 1966 sugeriu que em um cristal com fortes efeitos quânticos, a repulsão elétron-elétron está sendo filtrada ou absorvida pelos cristais.

Enquanto a repulsão de elétrons é absorvida pelo cristal, uma atração oposta emerge das propriedades de rotação dos elétrons – e faz com que os elétrons se liguem em pares de Cooper. Isso está por trás da falta de resistividade eletrônica. No entanto, a teoria não leva em conta os efeitos quânticos complexos nesses cristais.

"Essa é uma teoria muito simples e, você sabe, existe há muito tempo. Era basicamente a mensagem teórica das décadas de 1980, 1990 e 2000", disse Gull. "Você poderia escrever essas teorias, mas não poderia realmente calcular nada - se quisesse, teria que resolver sistemas quânticos com muitos graus de liberdade. E agora, meu aluno de pós-graduação escreveu códigos que fazem exatamente isso."

Para o artigo publicado na Nature Physics , Dong testou essa teoria usando supercomputadores para aplicar o que é chamado de método de cluster dinâmico a um supercondutor baseado em óxido de cobre. Nesse método, os elétrons e suas flutuações de spin são computados juntos, permitindo que os pesquisadores façam uma análise quantitativa das interações entre os elétrons e seu spin.

Para fazer isso, Dong examinou as regiões onde o material se torna um supercondutor e examinou a principal quantidade de flutuação de spin chamada suscetibilidade de spin magnético. Ela calculou a suscetibilidade e calculou a região e, juntamente com Gull e Andrew Mills, físico da Universidade de Columbia, analisaram a região.

Com essa suscetibilidade ao spin, os pesquisadores puderam verificar a previsão da teoria simples da flutuação do spin. Eles descobriram que essa teoria era consistente com a atividade de supercondutividade - para cerca de 50%. Ou seja, cerca de metade da supercondutividade de um material pode ser explicada usando a teoria da flutuação.

"Esse é um grande resultado porque, por um lado, mostramos que essa teoria funciona, mas também que não captura tudo o que está acontecendo", disse Gull. "A questão, claro, é o que acontece com a outra metade, e este é o lugar onde a estrutura teórica da década de 1960 era muito simples."

Em um artigo publicado no PNAS , Gull e Dong exploraram essa outra metade. Eles voltaram para examinar os sistemas de elétrons dentro de um modelo simplificado de um cristal supercondutor. Neste cristal de óxido de cobre, existem camadas de ligações cobre-oxigênio. Os átomos de cobre constroem uma rede quadrada e, nessa configuração, cada átomo está faltando um único elétron.

Quando os físicos adicionam um elemento como o estrôncio, que compartilhará um elétron com a camada de cobre-oxigênio, ao material o material se torna um condutor. Neste caso, o estrôncio é chamado de átomo dopante. Inicialmente, quanto mais portadores de carga você adicionar, mais supercondutor o material se tornará. Mas se você adicionar muitos portadores de carga, a propriedade supercondutora desaparece.

Examinando esse material, Gull e seus coautores examinaram não apenas o spin dos elétrons, mas também suas flutuações de carga.

Gull diz que as flutuações que são convenientes para entender o sistema aparecem de duas maneiras:a primeira é que o sinal está em um único ponto de impulso e a segunda é que o sinal está em uma frequência baixa. Uma excitação de baixa frequência de momento único significa que há uma excitação de longa duração que ajuda os pesquisadores a ver e descrever o sistema.

Os pesquisadores descobriram que as flutuações antiferromagnéticas – quando os elétrons giram na direção oposta – representavam a maior parte da supercondutividade. No entanto, eles também viram flutuações ferromagnéticas que neutralizaram as flutuações antiferromagnéticas, o que os trouxe de volta à descoberta de 50%.

“Quando você tem um sistema complicado de muitos elétrons com muitas partículas quânticas, não há razão para que haja uma imagem simples que explique tudo”, disse Gull. "Na verdade, achamos surpreendentemente que um cenário como a teoria de 1966 captura bastante coisa, mas não tudo."

Gull diz que os próximos passos serão ver se suas descobertas podem ajudá-los a prever certos tipos de espectros, ou a luz refletida, envolvida em supercondutores. Ele também espera que os resultados permitam que os físicos entendam como os supercondutores funcionam e, com esse conhecimento, projetem melhores supercondutores. + Explorar mais

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