Cientistas resolveram um dos mistérios da supercondutividade

A descoberta da supercondutividade completou 113 anos em 8 de abril deste ano. Idade respeitável, mas o mistério do fenômeno não foi resolvido. A primeira teoria clara da supercondutividade foi criada apenas em 1957, mas 50 anos depois as surpresas recomeçaram. Assim, em 2009, a supercondutividade de alta temperatura (HTSC), descoberta na época, apresentou um novo problema – em supercondutores acima da temperatura crítica foi descoberta uma lacuna de energia inexplicável pela teoria.

O regime normal de gap de energia em HTSC é mostrado à esquerda; a posição dos elétrons no regime de pseudogap é mostrada à direita; Fonte da imagem: Ciência

Uma compreensão completa da física da supercondutividade e do HTSC em particular nos permitirá procurar os materiais necessários literalmente com os olhos abertos, enquanto agora (e ao longo dos 113 anos anteriores) os cientistas estão se movendo principalmente de forma aleatória. Criada há meio século pelos cientistas John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer, a “teoria BCS” explica a supercondutividade pelo comportamento coerente de pares de elétrons – os chamados pares de Cooper. Este é um fenômeno de ordem quântica, o que torna a análise e modelagem da supercondutividade uma tarefa extremamente complexa e dificilmente viável. Pelo menos foi assim até o surgimento do novo emprego.

Um grupo de cientistas do Instituto Politécnico de Paris conseguiu desenvolver uma abordagem que permitiria simular o comportamento de elétrons e pares de Cooper em materiais HTSC. Segundo eles, trata-se de um avanço difícil de superestimar. A análise revelou pelo menos um mistério inerente aos HTSCs – como surge um pseudogap nos cupratos (óxidos de cobre que descobriram a supercondutividade em 1986). Isto é algo interessante e misterioso, que até agora não teve uma explicação clara (havia apenas duas hipóteses).

Nos supercondutores clássicos, a lacuna de energia na qual os pares de Cooper emaranhados quânticos são formados a partir de elétrons ocorre em temperaturas abaixo da temperatura crítica (quando a supercondutividade se torna possível). Para casos de HTSC, o gap de energia pode aparecer em temperaturas acima da crítica. Isto significa que a supercondutividade pode ocorrer em altas temperaturas, incluindo a temperatura ambiente. Preciso explicar que a compreensão da física de um fenômeno promete descobertas maravilhosas? Mas do ponto de vista da teoria BCS, esta lacuna é inexplicável, razão pela qual passou a ser chamada de pseudogap. Cientistas da França e da Suíça estão agora prontos para explicar como e por que isso ocorre.

Para modelar o comportamento dos elétrons nos HTSCs, os cientistas usaram um modelo simplificado de Hubbard, ao qual aplicaram o método estatístico de Monte Carlo. O modelo de Hubbard imaginou os elétrons como peões de um tabuleiro de xadrez, que podem se mover de uma casa para outra e se alinhar sobre ela (no material) dependendo da direção do giro, podendo até estar localizados na mesma casa no caso de movimentos opostos. giros direcionados. O método Monte Carlo possibilitou analisar todo o “tabuleiro” de uma só vez, o que aproxima a modelagem do processo natural.

A simulação apresentou a transição para o regime de pseudogap como um rearranjo de elétrons em um “tabuleiro de xadrez” de uma estrutura ordenada em listras para vazios dispostos como se estivessem em um padrão de tabuleiro de xadrez. Assim que a tira desapareceu, o material adquiriu as propriedades de uma pseudo-lacuna.

«Nossa descoberta ajudará os cientistas em sua busca pela supercondutividade à temperatura ambiente, o Santo Graal da física da matéria condensada que permitiria transferência de energia sem perdas, máquinas de ressonância magnética mais rápidas e trens de levitação ultrarrápidos”, observam os autores do estudo.