Nos últimos anos, muitos físicos e cientistas de materiais têm investigado a supercondutividade, o completo desaparecimento da resistência elétrica observado em alguns materiais sólidos. A supercondutividade até agora tem sido observada principalmente em materiais que são resfriados a temperaturas muito baixas, tipicamente abaixo de 20 K.
Alguns materiais, no entanto, exibem supercondutividade em altas temperaturas, acima de 77 K. Muitos desses materiais, também conhecidos como supercondutores de alta temperatura, são conhecidos por serem antiferromagnetos.

Um aspecto da supercondutividade de alta temperatura que os físicos vêm tentando entender melhor é a formação de pares de dopantes móveis em antiferromagnetos, que foi observado em supercondutores antiferromagnetos de alta temperatura. Apesar de extensos estudos nesta área, o mecanismo de pareamento microscópico que sustenta esses sistemas fortemente correlacionados ainda não foi universalmente definido.

Pesquisadores do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Munique (MCQST), Universidade Ludwig Maximilan de Munique, ETH Zürich e Universidade de Harvard revelaram recentemente o emparelhamento de alta temperatura de portadores de carga móvel em isoladores antiferromagnéticos Mott dopados. Seu artigo, publicado em Nature Physics , poderia lançar uma nova luz sobre a formação de pares móveis de dopantes em antiferromagnetos.

“Como estávamos estudando o problema do dopante único em detalhes antes, o próximo passo lógico era estudar pares de buracos”, disse Fabian Grusdt, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Então, alguns anos atrás, começamos a generalizar alguns de nossos resultados anteriores para o caso de dois dopantes e encontramos os primeiros insights analíticos sobre o forte mecanismo de emparelhamento que pode unir buracos. No entanto, percebemos rapidamente que a propriedade de exclusão mútua de dois furos em configurações de monocamadas é um obstáculo significativo para o emparelhamento."

Enquanto conduziam seus estudos, Grusdt e seus colegas finalmente perceberam que os materiais de bicamada poderiam ser plataformas ideais para examinar a formação e o emparelhamento de portadores de carga, pois nesses materiais o mecanismo de emparelhamento baseado em cordas observado pode se desenvolver em sua força total. Devido às suas propriedades e relevância experimental, a equipe decidiu estudar esses materiais.

“Percebemos rapidamente que o mecanismo de emparelhamento que prevíamos levaria a energias de ligação significativamente aprimoradas e, portanto, seria diretamente acessível aos atuais sistemas de átomos ultrafrios”, disse Grusdt. "Uma vez que entendemos o novo mecanismo, sua beleza e simplicidade conceituais nos deixaram preocupados por um tempo que grupos concorrentes já estivessem buscando abordagens semelhantes, mas no final nosso trabalho entusiasmado foi recompensado."

O novo mecanismo revelado por Grusdt e seus colegas ocorre primeiro em um regime conceitualmente mais simples, conhecido como regime de "vinculação apertada". A ideia principal por trás desse mecanismo é que duas cargas emparelhadas apenas "pagam" a energia necessária para quebrar uma, em vez de duas, ligações antiferromagnéticas.

Ao emparelhar cargas de duas camadas diferentes do material na configuração de dimensão mista usada pelos pesquisadores, a energia cinética das cargas, que normalmente domina todas as escalas de energia, pode ser suprimida. Por outro lado, no "regime de acoplamento forte" conceitualmente mais complexo, a "cola" necessária para emparelhar duas cargas deriva de uma série de ligações antiferromagnéticas deslocadas.

“Criar essa corda custa energia magnética significativa, mas, no geral, as cargas ganham energia cinética suficiente seguindo os caminhos umas das outras”, explicou Grusdt. "Para ser claro:os dopantes móveis podem se mover em um concerto fortemente correlacionado e se deslocar o suficiente para dominar até mesmo uma grande barreira de energia potencial tentando desligá-los. Com efeito, revelamos uma interação intrincada de escalas de energia cinética e magnética, o que finalmente permite uma ligação de energias que excedem sistematicamente aquelas realizáveis ​​no regime de ligação apertada."

O trabalho recente de Grusdt e seus colegas revela um mecanismo de emparelhamento notavelmente forte que é analiticamente tratável em uma ampla gama de parâmetros. Esta é uma conquista particularmente notável, já que os estudos nesta área da física normalmente dependem de simulações numéricas computacionalmente pesadas.

"No curto prazo, a implicação mais significativa de nosso trabalho é provavelmente a viabilidade experimental de nossa abordagem, que muito recentemente levou à observação experimental há muito procurada de emparelhamento em um sistema de átomos ultrafrios semelhante a Hubbard", acrescentou Grusdt. "A longo prazo, acreditamos que nossa abordagem pode motivar o projeto de novos materiais com temperaturas supercondutoras significativamente melhoradas."

No futuro, o estudo conduzido por Grusdt e seus colegas e o mecanismo que eles revelaram podem abrir caminho para o projeto e a fabricação de materiais que exibem supercondutividade em temperaturas significativamente mais altas. Além disso, poderia ajudar a melhorar a compreensão atual do mecanismo de emparelhamento subjacente à supercondutividade de alta temperatura.

“Agora planejamos usar nossos resultados recentes como base para estudos adicionais de emparelhamento de buracos em sistemas quânticos fortemente correlacionados”, acrescentou Grusdt. "Por exemplo, queremos considerar um curativo adicional de fônons para descobrir se isso aumentaria ou diminuiria as energias de ligação".

Em seus próximos estudos, os pesquisadores também planejam estudar os espectros de excitação de cargas emparelhadas com mais profundidade, para determinar a relevância de seus resultados para os mecanismos de emparelhamento descritos pelo modelo de Fermi-Hubbard de baunilha simples. Além disso, eles gostariam de investigar se estruturas ainda mais exóticas compostas de cargas móveis e cordas poderiam se formar em regimes mais fortemente frustrados do diagrama de fases. + Explorar mais

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