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Os picos vermelhos no centro da imagem são impurezas de cobalto, detectadas por um microscópio de tunelamento. Crédito: Grupo de pesquisa Hasan da Universidade de Princeton
Uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Universidade de Princeton observou diretamente um efeito quântico surpreendente em um supercondutor de ferro a alta temperatura.
Os supercondutores conduzem eletricidade sem resistência, tornando-os valiosos para transmissão de eletricidade a longa distância e muitas outras aplicações de economia de energia. Os supercondutores convencionais operam apenas em temperaturas extremamente baixas, mas certos materiais à base de ferro descobertos cerca de uma década atrás podem superconduzir em temperaturas relativamente altas e chamaram a atenção dos pesquisadores.
Exatamente como a supercondutividade se forma em materiais à base de ferro é um mistério, especialmente porque o magnetismo do ferro parece conflitar com o surgimento da supercondutividade. Uma compreensão mais profunda de materiais não convencionais, como supercondutores à base de ferro, pode levar a novas aplicações para as tecnologias de economia de energia da próxima geração.
Os pesquisadores investigaram o comportamento dos supercondutores à base de ferro quando as impurezas - átomos de cobalto - são adicionadas para explorar como a supercondutividade se forma e se dissipa. Suas descobertas levaram a novas idéias sobre uma teoria de 60 anos de como o supercondutividade se comporta. O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters esta semana.
A adição de impurezas é uma maneira útil de aprender sobre o comportamento dos supercondutores, disse M. Zahid Hasan, professor de Física Eugene Higgins na Universidade de Princeton, que liderou a equipe de pesquisa. "É como a maneira como investigamos o comportamento das ondas da água no lago jogando uma pedra", disse ele. "A maneira como as propriedades supercondutoras reagem à impureza revela seus segredos com detalhes em nível quântico".
Uma ideia de longa data conhecida como teorema de Anderson prevê que, embora a adição de impurezas possa introduzir desordem em um supercondutor, em muitos casos, ela não destruirá a supercondutividade. O teorema foi apresentado em 1959 pelo físico Philip Anderson, vencedor do Prêmio Nobel, Joseph Joseph, professor de física em Princeton, Joseph Henry. Mas sempre há exceções à regra.
O cobalto parece ser uma dessas exceções. Ao contrário da teoria, a adição de cobalto força o supercondutor a base de ferro a perder sua capacidade supercondutora e se tornar um metal comum, no qual a eletricidade flui com resistência e desperdiça sua energia como calor.
Até agora, não ficou claro como isso acontece.
Para explorar esse fenômeno, a equipe de pesquisadores de Princeton usou uma técnica conhecida como microscopia de varredura por tunelamento, capaz de gerar imagens de átomos individuais , para estudar um supercondutor à base de ferro feito de lítio, ferro e arsênico.
Eles introduziram impurezas não magnéticas na forma de átomos de cobalto no supercondutor para ver como ele se comportava.
Os pesquisadores mediram um grande número de amostras em temperaturas extremamente baixas, cerca de 400 graus negativos (400 miliKelvin), que é mais frio que o espaço sideral por quase dez graus Fahrenheit. Sob essas condições, os pesquisadores localizaram e identificaram cada átomo de cobalto na estrutura cristalina e, em seguida, mediram diretamente o efeito da supercondutividade na escala local atomicamente e nas propriedades supercondutoras globais da amostra.
Para fazer isso, os pesquisadores estudaram mais de 30 cristais em oito concentrações diferentes nessas temperaturas extremamente baixas com resolução em nível atômico. "Não há garantia de que qualquer cristal nos dê os dados de alta qualidade de que precisamos", disse Songtian Sonia Zhang, estudante de graduação e co-primeira autora do estudo.
Como resultado desse extenso experimento, a equipe descobriu que cada átomo de cobalto tem um impacto local limitado que desaparece um ou dois átomos de distância da impureza. No entanto, há uma forte evolução sistemática por meio de uma transição de fase para um estado normal e não supercondutor à medida que a concentração de cobalto aumenta. A supercondutividade é finalmente totalmente destruída pela introdução de mais átomos de cobalto.
A supercondutividade se deve ao emparelhamento de dois elétrons para formar um único estado quântico descrito por uma propriedade conhecida como função de onda. Esse emparelhamento permite que os elétrons percorram um material sem a resistência típica que ocorre nos metais comuns. A energia mínima necessária para espalhar os elétrons e quebrar os pares é chamada de "gap de energia supercondutora".
Quando átomos de cobalto são adicionados, a força de dispersão pode ser descrita de duas maneiras: o limite forte (ou unitário) e o limite fraco (ou nascido). A dispersão no limite de Born, nomeada em homenagem ao físico Max Born, tem o potencial mais fraco para perturbar as funções das ondas de elétrons que são cruciais para a interação elétron-elétron e, portanto, o emparelhamento de elétrons.
Ao substituir os átomos de ferro, os átomos de cobalto se comportam como dispersores do limite de nascença. Embora os dispersores com limite de nascença tenham um potencial relativamente fraco para interromper a supercondutividade, quando muitos são combinados, eles podem destruir a supercondutividade.
Os pesquisadores descobriram que, para o material de arseneto de ferro e lítio, a dispersão no limite de Born aparentemente é capaz de violar o teorema de Anderson, levando a uma transição de fase quântica de um estado supercondutor para um estado não supercondutor.
Os materiais supercondutores podem ser descritos por um recurso conhecido como espectro de tunelamento, que fornece uma descrição do comportamento dos elétrons em um material e atua como um perfil de distribuição de energia do elétron. O material de arseneto de ferro e lítio possui o que é conhecido como intervalo de "onda S" caracterizado por um fundo plano em "U" no intervalo de energia supercondutor. Uma lacuna supercondutora totalmente aberta indica a qualidade dos materiais supercondutores.
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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for Science andthePublic
(SSP) e assinante de conteúdoscientíficos da NASA (NationalAeronauticsand Space
Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa do
projeto S`CoolGroundObservation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (CloudsandEarth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The GlobeProgram / NASA
GlobeCloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela
NationalOceanicandAtmosphericAdministration (NOAA) e U.S DepartmentofState.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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