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O que realmente está acontecendo nos materiais supercondutores?

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A supercondutividade de alta temperatura poderia estar um passo mais perto graças ao trabalho de uma equipe internacional de físicos. Estudando correlações espaciais de átomos de potássio em temperaturas um pouco acima do zero absoluto, as observações da equipe podem ajudar a identificar as condições ideais necessárias para induzir a supercondutividade.

[Fonte da imagem:MIT - Sampson Wilcox]

Supercondutividade: o meio quase perfeitamente eficiente de conduzir eletricidade em um material por meio da eliminação de perdas de energia. Atualmente, esta incrível propriedade de certos materiais só é possível sob temperaturas específicas extremamente baixas. Se a supercondutividade pudesse ser induzida à temperatura ambiente, o impacto sobre as possíveis eficiências da energia elétrica seria extraordinário. Mas a compreensão de como a supercondutividade ocorre é dificultada por nossa capacidade de visualizar o fenômeno.

Com isso em mente, pesquisadores do MIT projetaram um 'simulador quântico', usando átomos para modelar o comportamento dos elétrons em um sólido supercondutor.

O líder da equipe, Professor Martin Zwierlein, MIT, relatou ao MIT News: 'Aprendendo com este modelo atômico, podemos entender o que realmente está acontecendo nesses supercondutores e o que se deve fazer para fabricar supercondutores de alta temperatura, aproximando-se, esperançosamente, da temperatura ambiente.'

O modelo atômico da equipe é baseado no modelo de átomos em interação de Fermi-Hubbard, uma teoria comumente usada para explicar os princípios fundamentais da supercondutividade. Anteriormente, os pesquisadores só podiam prever o comportamento de elétrons supercondutores de interação fraca usando este modelo. O Professor Zwierlein explicou:

'Essa é uma grande razão pela qual não entendemos supercondutores de alta temperatura, onde os elétrons estão interagindo fortemente. Não há computador clássico no mundo que possa calcular o que acontecerá em temperaturas muito baixas com a interação [elétrons]. Suas correlações espaciais também nunca foram observadas in situ, porque ninguém tem um microscópio para examinar cada elétron.

Ao resfriar os átomos de potássio que estão sendo estudados para apenas alguns nanokelvins e prendê-los em uma rede gerada a laser criando um plano bidimensional, os pesquisadores foram capazes de observar as posições e interações de átomos individuais. O comportamento dos átomos observados variou dependendo da densidade do gás em cada posição.

Nas regiões de densidade mais baixa - em direção à borda da rede - os átomos tornaram-se 'anti-sociais'. Isso é consistente com o comportamento dos elétrons teorizado pelo famoso físico do século 20, Wolfgang Pauli, cujos chamados 'buracos de Pauli' descrevem a tendência dos elétrons de manter uma certa esfera do espaço pessoal. 'Eles abrem um pequeno espaço para si onde é muito improvável que encontrem um segundo cara dentro daquele espaço', disse Zwierlein.

O comportamento realmente interessante ocorreu em regiões de maior densidade. Os átomos observados não apenas se permitiram amontoar, mas também exibiram orientações magnéticas alternadas. Zwierlein explicou: 'Estas são belas correlações antiferromagnéticas, com um padrão xadrez - para cima, para baixo, para cima, para baixo.'

Ele passou a descrever a tendência incomum desses átomos de "pularem uns sobre os outros", resultando em um espaço ao lado de um par de átomos agrupados. A semelhança entre este comportamento e o necessário para - ainda teórica - a supercondutividade de alta temperatura é forte. Em teoria, a supercondutividade pode ser induzida à temperatura ambiente por meio do movimento sem atrito de pares de elétrons entre espaços adequadamente grandes em uma rede. Zwierlein o descreveu da seguinte maneira:

'Para nós, esses efeitos ocorrem em nanokelvin porque estamos trabalhando com gases atômicos diluídos. Se você tem um pedaço de matéria densa, esses mesmos efeitos podem ocorrer à temperatura ambiente.

Leia as descobertas da equipe em seusCiência papel de jornal.

VEJA TAMBÉM: Pode haver Falhas na Teoria do Supercondutor

Via: MIT

Escrito por Jody Binns


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