Um fenômeno quântico tem sido detectado em uma classe de materiais supercondutores e isso tem fortalecido a ideia de que um princípio de organização governa o comportamento coletivo de partículas e determina como elas conduzem energia e informação.
Compreender este princípio de organização pode ser a chave para entender a “estranheza quântica”, a propriedade das partículas de decomposição em reações fortes e rápidas.
Uma nova pesquisa publicada na revista Nature Physics por cientistas da Universidade de Sherbrooke (Canada) e do Laboratório Nacional de Campos Magnéticos Intensos (França) traz novas informações sobre o assinto. O trabalho indica que elétrons de cristais chamados “cuprates” parecem dissipar energia rapidamente, aparentemente ultrapassando um “limite de velocidade” quântico fundamental.
Este limite de velocidade parece estar ligado ao valor numérico da constante de Planck, a quantidade fundamental da mecânica quântica que representa a menor ação possível que pode acontecer na natureza.
“Quando você vê isso, você sabe que está mexendo com alguma coisa muito, muito profunda e fundamental”, diz Louis Taillefer, físico da Universidade de Sherbrooke e pesquisador principal do artigo ao lado de Anaëlle Legros e Cyril Proust do laboratório francês.
Este comportamento de queima de energia acontece quando os cuprates e outros componentes exóticos estão em uma fase de “metal estranho”, em que eles têm mais resistência ao fluxo de eletricidade do que outros metais convencionais. Mas quando eles são resfriados a uma temperatura crítica, esses metais estranhos se transformam em condutores perfeitos de eletricidade.
Físicos têm sofrido por 32 anos para entender e controlar esta forma poderosa de supercondutividade, e o comportamento dos elétrons logo antes da fase do metal estranho tem sido cada vez mais vista como parte importante da história.
Ainda não se sabe o que os elétrons fazem nesta fase. Mas especialistas acreditam que eles podem estar se organizando em um estado quântico embaralhado, em que as propriedades de cada elétron dependem dos outros elétrons. Este estado de embaralhamento permite que os elétrons se espalhem e também espalhem a energia com extrema velocidade.
Os pesquisadores estudaram uma amostra minúscula de um cuprate de um cristal chamado óxido de cobre-bismuto-estrôncio-cálcio (imagem acima).
Metais estranhos
Georg Bednorz e Alex Muller
Em 1986, Georg Bednorz e Alex Müller da Pesquisa IBM em Zurique sintetizaram o primeiro cuprate e descobriram o que é conhecido como “supercondutividade de alta temperatura” e notaram uma coisa estranha sobre este novo cristal. Quando eles resfriaram este cuprate feito de átomos de lantânio, bário, cobre, e oxigênio, eles observaram que a resistência elétrica do cristal diminuiu conforme ele ia ficando mais frio. Colocado em forma de gráfico, essa resistência formava uma linha reta. Já outros materiais convencionais formavam uma curva.
Por esta descoberta, eles ganharam um Prêmio Nobel e começaram a procurar por materiais que reagiam da mesma forma.
Outros laboratórios logo descobriram os cuprates e outros componentes que eram supercondutores a temperaturas ainda mais altas. Desde então, físicos sonham em encontrar ou sintetizar materiais que são supercondutores de eletricidade em temperatura ambiente.
Esses materiais poderiam transformar radicalmente as estruturas elétricas das cidades, e poderiam até energizar veículos que são magneticamente levitados.
Mas para criar supercondutores em temperatura ambiente, físicos tinham que fortalecer a cola que une os elétrons, permitindo que os elétrons transmitam a carga elétrica sem esforço. O problema era que antes de qualquer coisa, os pesquisadores tinham que descobrir do que é feita esta cola. Várias teorias surgiram, mas nenhuma foi confirmada.
A maior dificuldade era que a resistência linear observada por Bednorz e Müller em seu primeiro cuprate continuava aparecendo em outros cuprates e materiais na fase anterior à da supercondutividade. Este comportamento ficou associado com a fase do metal estranho que parece estar ligada à supercondutividade.
Esta fase não só leva à supercondutividade em uma temperatura crítica, mas persiste em temperaturas baixas se campos magnéticos forem usados para destruiu o estado de supercondutividade. Essas duas fases – supercondutividade e metal estranho – parecem competir, sendo que a temperatura crítica age como um limite entre os dois. Então para conseguir a temperatura ambiente como a temperatura crítica, físicos precisam entender essas duas fases.
Em 1990 pesquisadores começaram a encontrar evidência de uma natureza quântica para a resistência linear. Naquele ano, Orenstein e seus colegas do Laboratório Bell (EUA) estudaram um cuprate chamado óxido de cobre-ítrio-bário, e descobriram que, assim como a amostra de Bednorz e Müller, sua resistência elétrica caía conforme ele era resfriado até atingir a temperatura crítica.
Ao utilizar uma corrente alternada, eles conseguiram medir a razão em que elétrons no material se espalham. Eles descobriram que a nova linha reta que representa a taxa de espalhamento de elétrons é uma função e temperatura que tem uma linha muito parecida com a da constante fundamental ħ, chamada de constante de Planck reduzida. Na mecânica quântica, o ħ representa, entre outras coisas, a menor ação possível (energia multiplicada por uma quantidade de tempo).
O interessante é que mesmo 30 anos depois, isso continua um mistério e ele está relacionado com os buracos negros e com a teoria da informação.
Este trabalho recém-publicado na Nature Physics mostra que a linha observada quando os elétrons se espalham em metais estranhos é o mesmo ħ observado no trabalho de 1990. [Quanta Magazine]