Uma ordem magnética oculta poderia desbloquear a supercondutividade

A descoberta veio de experimentos utilizando um simulador quântico resfriado a temperaturas pouco acima do zero absoluto. À medida que o sistema arrefecia, os investigadores observaram um padrão consistente na forma como os electrões influenciam a orientação magnética dos electrões próximos. Como os elétrons podem ter spin para cima ou para baixo, essas interações moldam o comportamento geral do material. O trabalho representa um passo importante para explicar a supercondutividade não convencional e foi possível graças a uma colaboração entre físicos experimentais do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, e teóricos, incluindo Antoine Georges, diretor do Centro de Física Quântica Computacional (CCQ) do Instituto Flatiron da Fundação Simons, na cidade de Nova York.

A equipe internacional relatou suas descobertas no Anais da Academia Nacional de Ciências.

Por que a supercondutividade continua sendo um quebra-cabeça

A supercondutividade tem sido estudada há décadas devido ao seu potencial para transformar tecnologias como transmissão de energia de longa distância e computação quântica. Apesar deste esforço, os cientistas ainda não têm uma compreensão completa de como surge a supercondutividade, especialmente em materiais que operam a temperaturas relativamente altas.

Em muitos supercondutores de alta temperatura, o estado supercondutor não emerge diretamente de uma fase metálica comum. Em vez disso, o material passa primeiro por um estágio intermediário conhecido como pseudogap. Durante esta fase, os elétrons se comportam de maneira incomum e menos estados eletrônicos estão disponíveis para a corrente fluir. Por causa disso, a compreensão do pseudogap é amplamente vista como essencial para descobrir os mecanismos por trás da supercondutividade e melhorar o desempenho do material.

Magnetismo sob pressão do doping

Quando um material contém o número normal de elétrons, esses elétrons tendem a se organizar em um padrão magnético bem ordenado chamado antiferromagnetismo. Neste arranjo, os spins dos elétrons vizinhos apontam em direções opostas, muito parecido com uma sequência esquerda-direita cuidadosamente sincronizada.

Esse padrão ordenado é interrompido quando os elétrons são removidos por meio de um processo conhecido como dopagem. Por muitos anos, os cientistas acreditaram que o doping eliminava completamente a ordem magnética de longo alcance. O novo estudo do PNAS desafia essa suposição, mostrando que a temperaturas extremamente baixas, uma forma subtil de organização sobrevive sob a aparente desordem. Esses experimentos foram orientados por trabalhos teóricos anteriores sobre o pseudogap realizados no CCQ, que levaram a um artigo de 2024 em Ciência.

Simulando matéria quântica com átomos ultrafrios

Para explorar esse comportamento, a equipe de pesquisa utilizou o modelo Fermi-Hubbard, uma estrutura teórica amplamente aceita que descreve como os elétrons interagem dentro de um sólido. Em vez de estudar materiais reais, os pesquisadores recriaram o modelo usando átomos de lítio resfriados a bilionésimos de grau acima do zero absoluto. Esses átomos foram organizados em uma rede óptica cuidadosamente controlada, criada com luz laser.

Os simuladores quânticos de átomos ultrafrios permitem aos cientistas reproduzir o comportamento complexo de materiais sob condições que os experimentos tradicionais de estado sólido não conseguem alcançar. Usando um microscópio quântico de gás, que pode gerar imagens de átomos individuais e detectar sua orientação magnética, a equipe coletou mais de 35.000 instantâneos detalhados. Essas imagens capturaram as posições dos átomos e suas correlações magnéticas em uma ampla faixa de temperaturas e níveis de dopagem.

“É notável que simuladores analógicos quânticos baseados em átomos ultrafrios possam agora ser resfriados a temperaturas onde aparecem fenômenos coletivos quânticos intrincados”, diz Georges.

Surge um padrão magnético universal

Os dados revelaram um resultado surpreendente. “As correlações magnéticas seguem um único padrão universal quando plotadas em relação a uma escala de temperatura específica”, explica o autor principal Thomas Chalopin do Instituto Max Planck de Óptica Quântica. “E esta escala é comparável à temperatura do pseudogap, o ponto em que o pseudogap emerge.” Isto significa que o pseudogap está intimamente ligado a estruturas magnéticas subtis que persistem sob o que inicialmente parece ser uma desordem.

O estudo também mostrou que as interações eletrônicas neste regime são mais complexas do que simples emparelhamentos. Em vez disso, os elétrons formam estruturas correlacionadas multipartículas maiores. Mesmo um único dopante pode perturbar a ordem magnética numa área surpreendentemente ampla. Ao contrário de pesquisas anteriores que se concentraram apenas em pares de elétrons, este estudo mediu correlações envolvendo até cinco partículas ao mesmo tempo, um nível de detalhe alcançado apenas por um pequeno número de laboratórios em todo o mundo.

Revelando correlações ocultas

Para os teóricos, estas descobertas fornecem uma nova referência importante para modelos do pseudogap. De forma mais ampla, os resultados aproximam os cientistas da compreensão de como a supercondutividade de alta temperatura emerge do movimento coletivo de elétrons dançantes em interação. “Ao revelar a ordem magnética oculta no pseudogap, estamos a descobrir um dos mecanismos que pode estar relacionado com a supercondutividade”, explica Chalopin.

O trabalho também destaca a importância de uma estreita cooperação entre teoria e experimento. Ao combinar previsões teóricas precisas com simulações quânticas cuidadosamente controladas, os investigadores conseguiram descobrir padrões que de outra forma permaneceriam ocultos.

Este esforço internacional reuniu conhecimentos experimentais e teóricos, e experiências futuras visam arrefecer ainda mais o sistema, procurar formas adicionais de ordem e desenvolver novas formas de observar a matéria quântica a partir de novas perspetivas.

“As simulações quânticas analógicas estão entrando em um estágio novo e emocionante, que desafia os algoritmos clássicos que desenvolvemos no CCQ”, diz Georges. “Ao mesmo tempo, esses experimentos requerem orientação teórica e simulações clássicas. A colaboração entre teóricos e experimentalistas é mais importante do que nunca.”