Estranhas ‘singularidades’ responsáveis ​​por tipo exótico de supercondutividade

Supercondutores que funcionam em temperaturas muito superiores ao zero absoluto têm confundido os cientistas desde que foram descobertos. Uma nova teoria pode estar prestes a mudar isso.

Os físicos descobriram um mecanismo misterioso responsável pela supercondutividade em altas temperaturas, e isso poderia ajudar na busca por um dos “Santo Graal” da física.

A nova descoberta, conhecida como supercondutividade oscilante, identifica um processo que permite que os materiais sejam supercondutores a temperaturas muito mais altas do que o normal – abrindo caminho para a descoberta de materiais supercondutores à temperatura ambiente que poderiam facilitar a transmissão de energia quase sem perdas. Os pesquisadores publicaram suas descobertas em 11 de julho na revista Physical Review Letters.

“Um dos santos graais da física é a supercondutividade à temperatura ambiente, que é prática o suficiente para aplicações da vida cotidiana”, disse Luiz Santos, professor assistente de física na Emory University, em comunicado. “Esse avanço poderia mudar a forma da civilização.”

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A supercondutividade emerge das ondulações causadas pelos elétrons à medida que eles se movem através de um material. Em temperaturas suficientemente baixas, essas ondulações fazem com que os núcleos atômicos sejam atraídos uns pelos outros, causando por sua vez um ligeiro deslocamento na carga que atrai um segundo elétron para o primeiro.

A força desta atração faz com que algo estranho aconteça: em vez de se repelirem através da força da repulsão eletrostática, os elétrons se unem em um “par de Cooper”.

Os pares de Cooper seguem regras da mecânica quântica diferentes daquelas dos elétrons solitários. Em vez de se empilharem para formar conchas de energia, agem como partículas de luz, um número infinito das quais pode ocupar o mesmo ponto no espaço ao mesmo tempo. Se um número suficiente desses pares de Cooper for criado em um material, eles se tornarão um superfluido, fluindo sem qualquer perda de energia da resistividade elétrica.

Os primeiros supercondutores, descobertos pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes em 1911, fizeram a transição para este estado de resistividade elétrica zero em temperaturas inimaginavelmente frias – perto do zero absoluto (menos 459,67 graus Fahrenheit, ou menos 273,15 graus Celsius). No entanto, em 1986, os físicos descobriram outro tipo de material, chamado cuprato, que se torna um supercondutor a uma temperatura muito mais quente (mas ainda muito fria) de menos 211 F (menos 135 C).

Os físicos esperavam que esta descoberta levasse à descoberta de supercondutores à temperatura ambiente, o que abriria a porta para a transmissão de eletricidade quase sem perdas. No entanto, as descobertas fracassaram e as recentes alegações de supercondutores à temperatura ambiente terminaram em escândalo e decepção.

Até agora, o fracasso em encontrar supercondutores à temperatura ambiente e à pressão ambiente resultou em parte da falta de compreensão entre os físicos das condições teóricas que permitem que os elétrons formem pares de Cooper em temperaturas relativamente altas (cerca de três vezes mais baixas que as de um freezer padrão). temperatura).

Para investigar isto, os investigadores por detrás do novo estudo concentraram-se numa forma particular de supercondutividade a alta temperatura que surge quando os pares de Cooper se organizam em padrões oscilantes conhecidos como ondas de densidade de carga. A relação entre as ondas, uma espécie de dança sincronizada em massa entre elétrons emparelhados através de um material, tem uma conexão complexa com a supercondutividade: em algumas circunstâncias, as ondas abafam o efeito, enquanto em outras, ajudam a unir os elétrons.

Ao modelar estas ondas, os físicos descobriram que a chave para o surgimento das ondas era provavelmente uma propriedade conhecida como singularidade de van Hove. Normalmente, em física, a energia de uma partícula em movimento está, de forma bastante intuitiva, relacionada à velocidade com que ela está viajando.

Mas algumas estruturas materiais quebram esta regra, permitindo que electrões com velocidades diferentes existam com as mesmas energias. Quando todas as energias dos elétrons são iguais, eles podem interagir e formar pares para formar pares dançantes de Cooper mais facilmente.