Pares de partículas em supercondutores apresentam comportamento inesperado.

Pares de partículas que sustentam a supercondutividade evitam-se ativamente, criando um padrão coordenado que a teoria em vigor não antecipa.

Essa interação escondida altera a forma como os cientistas compreendem, à escala microscópica, como nasce uma corrente sem resistência - e expõe uma lacuna no enquadramento teórico em que se tem confiado há décadas.

Comportamento quântico no espaço real

No interior de uma nuvem plana de átomos de lítio arrefecida para apenas um pouco acima do zero absoluto, a temperatura mais baixa possível, as partículas emparelhadas organizaram-se mantendo uma separação nítida em relação aos pares vizinhos.

Esses desenhos surgiram diretamente em imagens que permitiram a Tarik Yefsah, do Centro Nacional de Investigação Científica de França (CNRS), seguir como cada par se colocava relativamente aos restantes.

Em vez de se espalharem de forma independente por todo o sistema, os pares deslocavam-se de modo sincronizado, preservando a distância entre si e, ao mesmo tempo, mantendo-se ligados.

Este espaçamento coordenado aponta para uma interação em falta na descrição padrão e obriga a reavaliar de que forma estes pares exercem influência uns sobre os outros.

Quando a teoria não chega

Em 1957, Bardeen, Cooper e Schrieffer explicaram por que razão os eletrões formam pares e por que motivo a resistência cai abruptamente abaixo de uma temperatura crítica.

No seu modelo, cada par era tratado como parte de um estado quântico amplo, ao mesmo tempo que se ignorava, em grande medida, como pares vizinhos poderiam afetar-se mutuamente.

Essa simplificação revelou-se poderosa e orientou décadas de investigação, mas continuou a falhar perante vários supercondutores invulgares.

As novas imagens não apagam esse êxito; porém, mostram com clareza onde tem de surgir uma descrição microscópica mais completa.

Simplificar o mundo real para expor a física

Os átomos de lítio funcionaram como substitutos porque são férmions - partículas que não conseguem acumular-se no mesmo estado quântico.

Quando os investigadores arrefeceram o gás para alguns bilionésimos de grau acima do zero absoluto, tornou-se fácil acompanhar o emparelhamento.

Esta configuração minimalista evitou a confusão química dos sólidos, onde átomos em vibração e estruturas irregulares podem ocultar a física fundamental.

Ao tornar o sistema mais simples, a equipa conseguiu concentrar-se no comportamento de pares de partículas na presença de outros pares.

Reconstruir correlações quânticas, átomo a átomo

Um novo método de imagem, átomo a átomo, permitiu à equipa registar a posição de cada átomo de lítio no gás bidimensional.

A partir de instantâneos repetidos, reconstruíram correlações - padrões ligados de posição que mostram se as partículas se movem de forma independente ou em conjunto.

No meio desses padrões, surgiu uma depressão em torno de cada par, precisamente o sinal que a equipa procurava.

“Now we can see how the dancers are pairing up and paying attention to one another, so they don’t bump into each other,” disse Yefsah.

Sinal-chave: espaçamento entre pares na supercondutividade

Os físicos descrevem frequentemente este tipo de espaçamento com uma função de correlação, uma medida de como uma localização influencia outra.

Aqui, essa medida desceu abaixo do valor permitido pelas teorias mais antigas. Isso indica que pares de partículas estavam, de facto, a manter-se afastados de pares próximos.

Como o gás era bidimensional, estas interações também são relevantes para materiais com comportamentos difíceis de explicar.

“Our experiment showed that something is qualitatively missing from this theory,” disse Yefsah.

Confirmar com computação

Cálculos computacionais independentes verificaram se o espaçamento estranho era real ou apenas uma peculiaridade experimental.

Shiwei Zhang e colaboradores reproduziram o mesmo padrão, recorrendo a métodos exatos que acompanham muitas partículas em interação sem os atalhos habituais.

Essa concordância foi importante porque ligou as imagens a regras quânticas subjacentes - e não apenas a uma câmara engenhosa.

Quando teoria e experiência convergiram no mesmo resultado, tornou-se muito mais difícil ignorar a peça em falta nas teorias clássicas da supercondutividade.

Medir o contacto de curto alcance

Uma verificação adicional veio de átomos que desapareciam durante a imagem sempre que um par fortemente ligado ocupava o mesmo ponto.

Essa perda permitiu estimar o contacto de Tan, um número que quantifica com que frequência os pares se aproximam a distâncias muito curtas.

Medições e cálculos coincidiram ao longo de três ordens de grandeza, oferecendo ao estudo uma confirmação independente da sua imagem microscópica.

Esta verificação cruzada torna a alegação anterior mais robusta, à medida que os investigadores avançam para sistemas mais desordenados e condições mais quentes.

Implicações para os supercondutores

Desde a década de 1980, alguns materiais cerâmicos apresentam supercondutividade perto da temperatura do azoto líquido, cerca de menos 321 graus Fahrenheit. (160°C)

Esses compostos operam a temperaturas muito superiores às dos supercondutores clássicos, mas os cientistas continuam a divergir sobre o que, afinal, mantém os seus eletrões ligados.

Ferramentas melhores para compreender como os pares se influenciam mutuamente poderão restringir as hipóteses, testando quais as ideias que resistem a uma observação direta.

Entre controlo e realismo

Os supercondutores reais existem em materiais sólidos, onde os átomos se organizam em cristais e vibram continuamente.

Nos sólidos, os eletrões também sentem efeitos magnéticos e orbitais concorrentes, pelo que nenhuma experiência com átomos ultrafrios consegue copiar todos os detalhes essenciais.

Ainda assim, ao remover essas complicações, os investigadores conseguiram isolar uma interação com uma nitidez pouco habitual - e, pela primeira vez, de forma particularmente clara.

É essa troca entre controlo e realismo que explica por que motivo experiências quânticas simplificadas conseguem fazer avançar o campo.

Rumo a sistemas mais complexos

O estudo transforma os pares supercondutores, de uma abstração útil, em algo que os investigadores podem seguir, comparar e testar à escala microscópica.

Trabalhos futuros irão acelerar esta abordagem em direção a regimes mais quentes, interações mais densas e materiais cujos segredos continuam a escapar à teoria mais antiga.