O estrôncio desvenda os segredos quânticos da supercondutividade

Os pesquisadores observaram as fases dinâmicas das interações dos supercondutores BCS em um Cavity QED medindo o vazamento de luz da cavidade. Crédito: Grupos Steven Burrows/Rey e Thompson

Novos insights podem ajudar os cientistas a tornar os materiais supercondutores mais robustos e úteis.

A supercondutividade faz a física parecer mágica. Em temperaturas frias, os materiais supercondutores permitem que a eletricidade flua indefinidamente enquanto expelem campos magnéticos externos, fazendo com que levitem acima dos ímãs. Ressonâncias magnéticas, trens maglev e aceleradores de partículas de alta energia usam supercondutividade, que também desempenha um papel crucial na Computação quântica, sensores quânticos e ciência de medição quântica. Algum dia, as redes elétricas supercondutoras poderão fornecer energia com uma eficiência sem precedentes.

Desafios com supercondutores

No entanto, os cientistas não têm controlo total sobre os supercondutores convencionais. Esses materiais sólidos geralmente compreendem vários tipos de átomos em estruturas complicadas que são difíceis de manipular em laboratório. É ainda mais difícil estudar o que acontece quando há uma mudança repentina, como um pico de temperatura ou pressão, que desequilibra o supercondutor.

A teoria quântica previu comportamentos intrigantes quando um supercondutor é desequilibrado. No entanto, tem sido um desafio perturbar estes materiais em laboratório sem perturbar as suas delicadas propriedades supercondutoras, deixando estas previsões por testar.

Pesquisa Inovadora da JILA

No entanto, os cientistas podem obter insights surpreendentemente profundos sobre a supercondutividade estudando-a com conjuntos de átomos totalmente controláveis ​​num gás. Essa é a abordagem de uma colaboração de pesquisa na JILA, um instituto conjunto do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade do Colorado em Boulder.

No seu trabalho mais recente, os investigadores do JILA fizeram com que um gás de átomos de estrôncio agisse como um supercondutor. Embora os próprios átomos de estrôncio não sejam supercondutores, eles seguem as mesmas regras da física quântica. Os pesquisadores poderiam fazer com que os átomos de um gás interagissem de uma forma que preservasse os tipos de interações responsáveis ​​pela supercondutividade, ao mesmo tempo que suprimia outras interações complexas e concorrentes. Ao desequilibrar os átomos, os pesquisadores observaram mudanças nas interações atômicas que afetariam as propriedades dos supercondutores reais.

Com o gás estrôncio atuando como um “simulador quântico”, os pesquisadores conseguiram observar um comportamento dos supercondutores que se previa existir há anos. Este estudo, publicado em Natureza, oferece uma nova visão sobre como os supercondutores funcionam quando são adequadamente desequilibrados e esclarece como tornar os supercondutores mais robustos e como usar suas propriedades únicas em outras tecnologias quânticas.

‘Quão robustas são essas coisas?’

Num material normal, os elétrons se movem de maneira incoerente, colidindo uns com os outros constantemente; normalmente, os elétrons se repelem. À medida que se movem, colidem, perdendo energia e gerando calor; é por isso que as correntes elétricas se dissipam quando os elétrons fluem em um fio metálico. Em um supercondutor, entretanto, os elétrons se unem em pares com ligações fracas, chamados pares de Cooper. Quando esses pares se formam, todos tendem a se mover de forma coerente e é por isso que fluem através do material sem resistência.

A física é simples em certo sentido, explica a física teórica Ana Maria Rey, bolsista do NIST e JILA. Os pares de Cooper existem em um estado de baixa energia porque as vibrações na estrutura cristalina do material unem os elétrons. Quando formados, os pares de Cooper preferem agir de forma coerente e unidas. Os pares de Cooper são como “flechas” que querem se alinhar na mesma direção. Para desbloqueá-los ou fazer com que uma das setas aponte em uma direção diferente, você precisa adicionar energia extra para quebrar os pares de Cooper, explica Rey. A energia que você precisa adicionar para desbloqueá-los é chamada de lacuna de energia. Interações mais fortes entre os átomos criam uma lacuna de energia maior porque a atração que mantém os pares de Cooper travados é muito forte. Superar essa lacuna energética tira muita energia dos pares Cooper. Portanto, esta lacuna de energia atua como um amortecedor, permitindo que os pares de Cooper permaneçam felizes em fase.

Tudo isso funciona quando o sistema está em equilíbrio. Mas quando você introduz uma mudança rápida e repentina, o supercondutor sai do equilíbrio ou fica “extinguido”. Durante décadas, os cientistas quiseram saber o que acontece com a supercondutividade após uma extinção abrupta, mas não tão forte a ponto de quebrar completamente os pares de Cooper, disse o físico da JILA, James Thompson.

“Em outras palavras, quão robustas são essas coisas?” disse Thompson.

Os teóricos previram três possibilidades ou fases diferentes que poderiam acontecer quando o supercondutor fosse extinto. Pense nisso como um grande grupo de dançarinos de quadrilha, diz Thompson. No início todos estão em sincronia, acompanhando o ritmo da música. Então algumas pessoas ficam um pouco cansadas ou outras começam a se mover um pouco rápido demais, colidem umas com as outras e tudo se transforma em um mosh pit. Essa é a Fase I, quando a supercondutividade entra em colapso. Na Fase II, os dançarinos saem do ritmo, mas conseguem manter a sincronia. A supercondutividade sobrevive à extinção. Os cientistas conseguiram observar e estudar essas duas fases.

Mas eles nunca viram uma terceira fase há muito prevista, na qual a supercondutividade do sistema oscila ao longo do tempo. Nesta fase, nossos dançarinos se moverão um pouco mais rápido ou um pouco mais devagar às vezes, mas ninguém bate. Isso significa que às vezes é um supercondutor mais fraco e às vezes é um supercondutor mais forte. Até agora, ninguém tinha conseguido observar essa terceira fase.

‘Tudo flui’

Trabalhando com o grupo teórico de Rey, a equipe de Thompson na JILA resfriou a laser e carregou átomos de estrôncio em uma cavidade óptica, um espaço com espelhos altamente reflexivos em cada extremidade. A luz do laser salta para frente e para trás milhões de vezes antes que alguma luz vaze em uma extremidade.

A luz na cavidade mediou as interações entre os átomos, fazendo com que eles se alinhassem em um estado de superposição – o que significa que eles estão no estado excitado e fundamental ao mesmo tempo – e travassem em fase, como fazem os pares de Cooper, explica Rey.

Usando lasers, os cientistas podem extinguir o sistema e, ao medir a luz que vaza, aprendem como a lacuna de energia mudou ao longo do tempo. Com esta simulação quântica de supercondutores, eles conseguiram observar todas as três fases dinâmicas pela primeira vez.

Eles descobriram que na terceira fase a lacuna de energia pode manter a supercondutividade mesmo quando o sistema está fora de equilíbrio. O uso de simuladores quânticos como esse poderia ajudar os cientistas a projetar supercondutores não convencionais ou mais robustos e a compreender melhor a física dos supercondutores em geral.

É também uma forma contra-intuitiva para os cientistas que trabalham na ciência da medição verem as interacções atómicas, como as que causam a lacuna energética, como um benefício, e não como uma maldição.

“Na ciência da medição, as interações geralmente são ruins. Mas aqui, quando as interações são fortes, elas podem te ajudar. A lacuna protege o sistema – tudo flui”, diz Rey. “No centro desta ideia você poderia ter algo que oscila para sempre.”

Ter algo que oscila para sempre é um sonho para a tecnologia quântica, acrescenta Thompson, porque permitiria que os sensores funcionassem melhor por mais tempo. Assim como os supercondutores, grupos de átomos, fótons e elétrons em sensores quânticos precisam permanecer sincronizados, ou coerentes, para funcionar, e não queremos que eles se transformem em um mosh pit quântico ou “desfase”.

“Estou feliz que uma das fases dinâmicas que observamos possa ser usada para proteger a coerência óptica quântica contra a defasagem. Por exemplo, isso pode um dia permitir que um relógio atômico óptico funcione por mais tempo”, disse Thompson. “Isso representa uma maneira totalmente nova de aumentar a precisão e a sensibilidade dos sensores quânticos, um tópico que está na fronteira da metrologia quântica, ou medição, ciência. Queremos aproveitar os muitos átomos e aproveitar as interações para construir um sensor melhor.”

Referência: “Observando fases dinâmicas de supercondutores BCS em um simulador QED de cavidade” por Dylan J. Young, Anjun Chu, Eric Yilun Song, Diego Barberena, David Wellnitz, Zhijing Niu, Vera M. Schäfer, Robert J. Lewis-Swan, Ana Maria Rey e James K. Thompson, 24 de janeiro de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06911-x