Resumo:
Os cientistas fizeram novos progressos no campo da pesquisa sobre supercondutividade em alta temperatura. Uma equipe de pesquisa internacional da Universidade de Bristol, no Reino Unido, da Universidade Radboud, na Holanda, e de instituições relevantes na China e nos Estados Unidos, encontrou evidências experimentais que apoiam uma teoria importante: em um tipo de material supercondutor cuprato de alta temperatura, as flutuações de spin entre os elétrons podem desempenhar um papel fundamental no processo de emparelhamento de elétrons. Este estudo, publicado na Nature Physics, fornece novas evidências para a compreensão do fenômeno da supercondutividade em alta temperatura, mas os pesquisadores enfatizaram que ainda há um caminho a percorrer antes de explicar completamente o mecanismo da supercondutividade em alta temperatura.
Supercondutividade refere-se ao fenômeno em que a resistência de certos materiais cai a zero após cair abaixo de uma determinada temperatura crítica, e a corrente pode continuar a fluir sem perdas de resistência convencionais. Essa propriedade torna os materiais supercondutores valiosos em áreas como ímãs de alto desempenho, equipamentos médicos de ressonância magnética, instrumentos de medição de precisão e transmissão eficiente de energia. No entanto, muitos materiais supercondutores devem operar a temperaturas extremamente baixas, e os custos de refrigeração e a complexidade de engenharia limitam a sua utilização generalizada. Portanto, a busca por materiais que possam atingir supercondutividade em temperaturas mais altas e o esclarecimento dos mecanismos físicos por trás deles sempre foram importantes direções de pesquisa na física da matéria condensada.
A teoria tradicional da supercondutividade foi estabelecida em meados do século XX. A teoria BCS proposta por Bardeen, Cooper e Schriever explica o princípio de funcionamento de muitos supercondutores convencionais: as vibrações da rede no material podem promover indiretamente a formação de pares de elétrons, e esses pares de elétrons entram conjuntamente em um estado supercondutor com coerência quântica macroscópica.
No entanto, o surgimento de supercondutores cuprato de alta temperatura desafiou esta teoria. Em 1986, os cientistas descobriram um material de óxido de cobre que poderia ser supercondutor em temperaturas significativamente superiores à temperatura crítica dos supercondutores tradicionais. Desde então, a temperatura crítica deste tipo de material continuou a aumentar, e alguns materiais podem atingir cerca de 150 Kelvin, ou cerca de 123 graus Celsius negativos, sob pressão normal. Embora esta temperatura ainda esteja bem abaixo da temperatura ambiente, ela reduziu significativamente o limite de refrigeração necessário para atingir a supercondutividade.
O problema é que os pesquisadores ainda não compreenderam completamente o mecanismo pelo qual os elétrons no óxido de cobre formam um estado emparelhado que pode produzir supercondutividade. Os cientistas propuseram uma variedade de teorias, uma das visões importantes é que a flutuação coletiva dos spins dos elétrons pode produzir atração efetiva entre os elétrons e ajudá-los a formar pares.
O spin do elétron pode ser entendido aproximadamente como uma propriedade quântica intrínseca dos elétrons, que está relacionada ao magnetismo. O spin dos elétrons nos materiais nem sempre permanece estático, mas pode sofrer alterações complexas ao longo do tempo e do espaço. Acredita-se que as flutuações de spin formadas por essas mudanças estejam potencialmente envolvidas na formação de supercondutividade em alta temperatura. Os pesquisadores já conseguiram medir as flutuações de rotação e carga em óxidos de cobre com algum detalhe, mas falta uma evidência importante: como a força da interação entre os elétrons e essas flutuações se relacionam com a temperatura crítica supercondutora do material?
Para responder a esta pergunta, a equipe de pesquisa preparou uma amostra especial de filme. Os pesquisadores usaram óxidos de lantânio, cério e cobre como materiais de base e formaram um filme fino com um gradiente de composição suave no substrato por meio de deposição camada por camada, de modo que o material transitasse gradualmente de uma temperatura crítica mais alta para não mais supercondutor ao longo do comprimento da amostra.
Este projeto permite aos pesquisadores comparar o comportamento resistivo sob diferentes condições dentro da mesma amostra e analisar a relação entre o espalhamento de elétrons e a temperatura crítica supercondutora. A equipe de pesquisa combinou então os resultados de experimentos de campo magnético elevado e outras medições e descobriu que os dados apoiavam a ideia de que as flutuações de spin estão envolvidas no emparelhamento de elétrons, fornecendo evidências experimentais que anteriormente faltavam para esta teoria.
No entanto, os investigadores não afirmam que todos os mistérios da supercondutividade a altas temperaturas foram resolvidos. A pesquisa envolve supercondutores de óxido de cobre dopados com elétrons e, na família do cuprato, há outra situação importante: alterar as propriedades do material por meio da redução de elétrons e da introdução dos chamados buracos, ou seja, dopagem de buracos. Experimentos mostram que embora esses dois tipos de materiais tenham estruturas básicas semelhantes, eles exibem propriedades supercondutoras significativamente diferentes.
É particularmente digno de nota que a temperatura crítica mais alta geralmente ocorre no lado dopado do furo. Os pesquisadores poderiam ter esperado que, ao melhorar a interação entre os elétrons e as flutuações de spin, ou ao aumentar a frequência das flutuações relacionadas, eles poderiam aumentar ainda mais a temperatura crítica supercondutora. No entanto, depois de comparar os resultados da nova pesquisa com estudos anteriores de campos altamente magnéticos em materiais dopados com furos, a equipe descobriu que as coisas não são tão simples.
Os investigadores acreditam que, além das flutuações de spin, pode haver outro factor importante que ainda não foi totalmente identificado, ajudando os materiais dopados com buracos a atingirem temperaturas críticas supercondutoras mais elevadas. Por outras palavras, a investigação actual encontra uma peça importante do puzzle, mas ainda não reúne o quadro completo.
O significado desta descoberta é que ela ajuda os cientistas a restringir ainda mais o escopo desconhecido da teoria da supercondutividade em alta temperatura. Ao longo das últimas décadas, os investigadores acumularam uma riqueza de dados sobre mudanças no comportamento eletrónico, no magnetismo e na resistência dos cupratos, mas têm lutado para identificar o que realmente impulsiona o emparelhamento supercondutor. Agora, ao vincular o comportamento de dispersão de elétrons à temperatura crítica, os pesquisadores têm evidências experimentais mais diretas para testar ainda mais diferentes modelos teóricos.
A equipe de pesquisa destacou que o próximo trabalho se concentrará em encontrar outros fatores que levam a diferenças nas temperaturas supercondutoras de diferentes materiais de cuprato e estabelecer uma teoria completa que possa explicar simultaneamente o comportamento de materiais dopados com elétrons e dopados com buracos. Somente depois que esses mecanismos forem explicados de forma mais completa é que os cientistas serão capazes de prever com mais segurança quais materiais são promissores para a supercondutividade em temperaturas mais altas.
A razão pela qual a pesquisa sobre supercondutividade em alta temperatura tem recebido ampla atenção é que se materiais supercondutores que operam mais próximos da temperatura ambiente puderem ser desenvolvidos no futuro sem exigir pressão extrema, o impacto potencial será generalizado. As linhas eléctricas supercondutoras podem reduzir as perdas resistivas tradicionais, os dispositivos de elevado campo magnético podem tornar-se mais eficientes e certas tecnologias electrónicas e quânticas também podem beneficiar. No entanto, estas aplicações ainda dependem das propriedades dos materiais, dos custos de produção, da estabilidade e das condições reais de engenharia, e a investigação actual não significa que estas tecnologias serão plenamente realizadas.
No geral, esta pesquisa não anuncia a descoberta da supercondutividade à temperatura ambiente, nem resolve todo o mecanismo da supercondutividade a alta temperatura, mas fornece suporte experimental fundamental para a teoria do emparelhamento de flutuação de spin em óxidos de cobre dopados com elétrons. Este é um desenvolvimento importante para o problema da supercondutividade de alta temperatura que tem intrigado a comunidade física durante décadas: os cientistas estão gradualmente a passar da observação de fenómenos quânticos complexos para a identificação dos factores-chave que realmente controlam a formação da supercondutividade e a sua temperatura crítica.
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