Durante décadas, uma família de cristais surpreendeu os físicos com sua capacidade desconcertante de superconduzir – ou seja, transportar uma corrente elétrica sem qualquer resistência – em temperaturas muito mais quentes do que outros materiais.
Agora, uma experiência de anos em construção supercondutividade visualizada diretamente na escala atômica em um desses cristais, finalmente revelando a causa do fenômeno para a satisfação de quase todos. Os elétrons parecem empurrar uns aos outros em um fluxo sem atrito de uma maneira sugerida pela primeira vez por uma venerável teoria quase tão antiga quanto o próprio mistério.
“Esta evidência é realmente bonita e direta”, disse Subir Sachdev, um físico da Universidade de Harvard que constrói teorias dos cristais, conhecidos como cupratos, e não esteve envolvido no experimento.
“Trabalho nesse problema há 25 anos e espero tê-lo resolvido”, disse JC Séamus Davis, que liderou o novo experimento na Universidade de Oxford. “Estou absolutamente emocionado.”
A nova medição corresponde a uma previsão baseada na teoria, que atribui a supercondutividade do cuprato a um fenômeno quântico chamado supertroca. “Estou impressionado com a concordância quantitativa”, disse André-Marie Tremblay, físico da Universidade de Sherbrooke, no Canadá, e líder do grupo que fez a previsão no ano passado.
A pesquisa avança a ambição perene do campo: pegar a supercondutividade do cuprato e fortalecer seu mecanismo subjacente, a fim de projetar materiais capazes de superconduzir eletricidade em temperaturas ainda mais altas. A supercondutividade à temperatura ambiente traria a eficiência perfeita para a eletrônica cotidiana, linhas de energia e muito mais, embora o objetivo permaneça distante.
“Se essa classe de teoria estiver correta”, disse Davis, referindo-se à teoria da supertroca, “deveria ser possível descrever materiais sintéticos com átomos diferentes em locais diferentes” para os quais a temperatura crítica é mais alta.
Duas colas
Os físicos têm lutado com a supercondutividade desde que foi observada pela primeira vez em 1911. O cientista holandês Heike Kamerlingh Onnes e colaboradores resfriaram um fio de mercúrio a cerca de 4 kelvins (ou seja, 4 graus acima do zero absoluto) e observaram com espanto como a resistência elétrica despencou para zero . Os elétrons habilmente percorriam o fio sem gerar calor quando colidiram com seus átomos – a origem da resistência. Levaria “uma vida inteira de esforço”, disse Davis, para descobrir como.
Com base nos principais insights experimentais de meados da década de 1950, John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer publicou sua teoria ganhadora do Prêmio Nobel dessa forma convencional de supercondutividade em 1957. A “teoria BCS”, como é conhecida hoje, sustenta que as vibrações que se movem através de fileiras de átomos “colam” os elétrons. À medida que um elétron carregado negativamente voa entre os átomos, ele atrai os núcleos atômicos carregados positivamente em sua direção e desencadeia uma ondulação. Essa ondulação puxa um segundo elétron. Superando sua feroz repulsão elétrica, os dois elétrons formam um “par Cooper”.
“É uma verdadeira trapaça da natureza”, disse Jörg Schmalian, um físico do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha. “Esse par de Cooper não deveria acontecer.”
Quando os elétrons se acoplam, mais truques quânticos tornam a supercondutividade inevitável. Normalmente, os elétrons não podem se sobrepor, mas os pares de Cooper seguem uma regra da mecânica quântica diferente; eles agem como partículas de luz, qualquer número das quais pode se acumular na cabeça de um alfinete. Muitos pares de Cooper se juntam e se fundem em um único estado mecânico quântico, um “superfluido”, que se torna alheio aos átomos entre os quais passa.
A teoria BCS também explicou por que o mercúrio e a maioria dos outros elementos metálicos superconduzem quando resfriados perto do zero absoluto, mas param de fazê-lo acima de alguns kelvins. Ondulações atômicas são as colas mais fracas. Aumente o calor, e isso agita os átomos e lava as vibrações da rede.
Então, em 1986, os pesquisadores da IBM Georg Bednorz e Alex Müller tropeçaram em uma cola de elétrons mais forte em cupratos: cristais consistindo de folhas de cobre e oxigênio intercaladas entre camadas de outros elementos. Depois deles observou um cuprato supercondutores a 30 kelvins, os pesquisadores logo descobriram outros que supercondutores acima 100, e depois acima 130 Kelvins.
A descoberta lançou um esforço generalizado para entender a cola mais resistente responsável por essa supercondutividade de “alta temperatura”. Talvez os elétrons se agrupassem para criar concentrações de carga irregulares e ondulantes. Ou talvez eles tenham interagido através do spin, uma propriedade intrínseca do elétron que o orienta em uma determinada direção, como um ímã de tamanho quântico.
O falecido Philip Anderson, ganhador do Nobel americano e lenda geral da física da matéria condensada, apresentou uma teoria apenas alguns meses após a descoberta da supercondutividade de alta temperatura. No coração da cola, ele argumentou, estava um fenômeno quântico descrito anteriormente chamado supertroca – uma força que surge da capacidade dos elétrons de pular. Quando os elétrons podem pular entre vários locais, sua posição a qualquer momento se torna incerta, enquanto seu momento se torna precisamente definido. Um momento mais nítido pode ser um momento mais baixo e, portanto, um estado de energia mais baixa, que as partículas procuram naturalmente.
O resultado é que os elétrons procuram situações nas quais podem pular. Um elétron prefere apontar para baixo quando seu vizinho aponta para cima, por exemplo, já que essa distinção permite que os dois elétrons saltem entre os mesmos átomos. Desta forma, a supertroca estabelece um padrão regular de spins de elétrons de cima para baixo em alguns materiais. Ele também empurra os elétrons para ficarem a uma certa distância. (Muito longe e eles não podem pular.) É essa atração efetiva que Anderson acreditava que poderia formar fortes pares de Cooper.
Os experimentalistas lutaram por muito tempo para testar teorias como a de Anderson, uma vez que as propriedades materiais que podiam medir, como refletividade ou resistência, ofereciam apenas resumos grosseiros do comportamento coletivo de trilhões de elétrons, não pares.
“Nenhuma das técnicas tradicionais da física da matéria condensada foi projetada para resolver um problema como esse”, disse Davis.
Super-Experimento
Davis, um físico irlandês com laboratórios em Oxford, Cornell University, University College Cork e a International Max Planck Research School for Chemistry and Physics of Quantum Materials em Dresden, desenvolveu gradualmente ferramentas para examinar os cupratos no nível atômico. Experimentos anteriores avaliaram a força da supercondutividade de um material resfriando-o até atingir a temperatura crítica em que a supercondutividade começou – com temperaturas mais quentes indicando uma cola mais forte. Mas na última década, o grupo de Davis refinou uma maneira de estimular a cola em torno de átomos individuais.
Eles modificaram uma técnica estabelecida chamada microscopia de tunelamento de varredura, que arrasta uma agulha por uma superfície, medindo a corrente de elétrons saltando entre os dois. Ao trocar a ponta metálica normal da agulha por uma ponta supercondutora e varrendo-a através de um cuprato, eles mediram uma corrente de pares de elétrons em vez de indivíduos. Isso permitiu que eles mapeassem a densidade dos pares de Cooper ao redor de cada átomo – uma medida direta da supercondutividade. Publicaram a primeira imagem de enxames de pares de Cooper in Natureza em 2016.
Naquele mesmo ano, um experimento de físicos chineses forneceu uma grande evidência apoiando a teoria de supertroca de Anderson: Eles mostraram que quanto mais fácil é para os elétrons saltarem entre os átomos de cobre e oxigênio em um determinado cuprato, maior a temperatura crítica do cuprato (e, portanto, mais forte sua cola). Davis e seus colegas procuraram combinar as duas abordagens em um único cristal de cuprato para revelar de forma mais conclusiva a natureza da cola.
O momento “aha” veio em uma reunião de grupo pelo Zoom em 2020, disse ele. Os pesquisadores perceberam que um cuprato chamado óxido de cobre e cálcio de bismuto e estrôncio (BSCCO, ou “bisko”, abreviado) tinha uma característica peculiar que tornou possível o experimento dos sonhos. No BSCCO, as camadas de átomos de cobre e oxigênio são espremidas em um padrão ondulado pelas folhas de átomos ao redor. Isso varia as distâncias entre certos átomos, o que, por sua vez, afeta a energia necessária para pular. A variação causa dores de cabeça para os teóricos, que gostam de suas treliças arrumadas, mas deu aos experimentalistas exatamente o que eles precisavam: uma gama de energias saltitantes em uma amostra.
Eles usaram um microscópio de varredura tradicional com uma ponta de metal para colar elétrons em alguns átomos e arrancá-los de outros, mapeando as energias saltitantes através do cuprato. Eles então trocaram uma ponta de cuprato para medir a densidade de pares de Cooper em torno de cada átomo.
Os dois mapas alinhados. Onde os elétrons lutavam para pular, a supercondutividade era fraca. Onde o salto era fácil, a supercondutividade era forte. A relação entre a energia de salto e a densidade do par Cooper combinava de perto com um sofisticado previsão numérica de 2021 por Tremblay e colegas, que argumentavam que essa relação deveria seguir a teoria de Anderson.
Superexchange Super Cola
A descoberta de Davis de que a energia do salto está ligada à força da supercondutividade, publicada este mês no Proceedings, da Academia Nacional de Ciências, implica fortemente que a supertroca é a supercola que permite a supercondutividade de alta temperatura.
“É um belo trabalho porque traz uma nova técnica para mostrar ainda mais que essa ideia tem pernas”, disse Ali Yazdani, um físico da Universidade de Princeton que desenvolveu técnicas semelhantes para estudar cupratos e outras instâncias exóticas de supercondutividade em paralelo com o grupo de Davis.
Mas Yazdani e outros pesquisadores alertam que ainda há uma chance, por mais remota que seja, de que a força da cola e a facilidade de pular se movam em sincronia por algum outro motivo, e que o campo esteja caindo na clássica armadilha de correlação igual a causa. Para Yazdani, a maneira real de provar uma relação causal será aproveitar a supertroca para projetar alguns novos supercondutores chamativos.
“Se acabou, vamos aumentar Tc”, disse ele, referindo-se à temperatura crítica.
Superexchange não é uma ideia nova, então muitos pesquisadores já pensaram em como fortificá-lo, talvez esmagando ainda mais a rede de cobre e oxigênio ou experimentando outros pares de elementos. “Já existem previsões na mesa”, disse Tremblay.
É claro que esboçar projetos atômicos e projetar materiais que façam o que os pesquisadores desejam não é rápido nem fácil. Além disso, não há garantia de que mesmo cupratos sob medida atingirão temperaturas críticas muito mais altas do que as dos cupratos que já conhecemos. A força da supertroca poderia ter um teto rígido, assim como as vibrações atômicas parecem ter. Alguns pesquisadores estão investigando candidatos para tipos de cola totalmente diferentes e potencialmente ainda mais fortes. Outros alavancar pressões sobrenaturais para reforçar as vibrações atômicas tradicionais.
Mas o resultado de Davis pode energizar e concentrar os esforços de químicos e cientistas de materiais que pretendem elevar os supercondutores de cuprato a alturas maiores.
“A criatividade das pessoas que projetam materiais é ilimitada”, disse Schmalian. “Quanto mais confiantes estivermos de que um mecanismo está certo, mais natural será investir mais nele.”
