Físicos identificaram uma conexão inesperada entre o magnetismo e o pseudogap, uma fase enigmática da matéria que aparece em alguns materiais quânticos antes de se tornarem supercondutores. Essa percepção pode ajudar os pesquisadores a desenvolver novos materiais com propriedades valiosas, incluindo supercondutividade em altas temperaturas, onde a eletricidade viaja sem perda de energia.
A descoberta surgiu de experimentos utilizando um simulador quântico resfriado a temperaturas ligeiramente acima do zero absoluto. À medida que o sistema esfriava, os pesquisadores observaram um padrão consistente de como os elétrons influenciam a orientação magnética dos elétrons vizinhos. Como os elétrons podem ter spins 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 à 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) no Flatiron Institute da Fundação Simons em Nova Iorque.
A equipe internacional relatou suas descobertas nas Proceedings of the National Academy of Sciences.
Por que a Supercondutividade Permanece um Enigma
A supercondutividade é estudada há décadas por causa de seu potencial para transformar tecnologias, como transmissão de energia a longa distância e computação quântica. Apesar desse esforço, os cientistas ainda não têm uma compreensão completa de como a supercondutividade surge, especialmente em materiais que funcionam a temperaturas relativamente altas.
Em muitos supercondutores de alta temperatura, o estado supercondutor não surge diretamente de uma fase metálica comum. Em vez disso, o material passa primeiro por uma fase intermediária conhecida como pseudogap. Durante essa fase, os elétrons se comportam de maneiras incomuns, e menos estados eletrônicos estão disponíveis para a passagem de corrente. Por causa disso, entender o pseudogap é amplamente visto como essencial para desvendar os mecanismos por trás da supercondutividade e melhorar o desempenho dos materiais.
Magnetismo Sob Pressão Pelo Doping
Quando um material contém o número normal de elétrons, esses elétrons tendem a se organizar em um padrão magnético bem ordenado chamado antiferromagnetismo. Nesse arranjo, os spins eletrônicos vizinhos apontam em direções opostas, muito parecido com uma sequência cuidadosamente sincronizada esquerda-direita.
Esse padrão ordenado se quebra quando elétrons são removidos por meio de um processo conhecido como doping. Durante muitos anos, os cientistas acreditaram que o doping eliminava completamente a ordem magnética de longo alcance. O novo estudo publicado na PNAS desafia essa suposição, mostrando que a temperaturas extremamente baixas, uma forma sutil de organização sobrevive sob a aparente desordem. Esses experimentos foram guiados por trabalhos teóricos anteriores sobre o pseudogap realizados no CCQ, o que levou a um artigo em 2024 na Science.
Simulando Materiais Quânticos Com Átomos Ultracongelados
Para explorar esse comportamento, a equipe de pesquisa usou o modelo de 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 billionths de grau acima do zero absoluto. Esses átomos foram organizados em uma rede óptica cuidadosamente controlada criada com luz laser.
Simuladores quânticos de átomos ultracongelados permitem que os cientistas reproduzam comportamentos complexos de materiais em condições que experimentos tradicionais em estado sólido não conseguem alcançar. Usando um microscópio de gás quântico, que pode imagear átomos individuais e detectar sua orientação magnética, a equipe coletou mais de 35.000 imagens detalhadas. Essas imagens capturaram tanto as posições dos átomos quanto suas correlações magnéticas em uma ampla gama de temperaturas e níveis de doping.
“É notável que simuladores quânticos análogos baseados em átomos ultracongelados possam agora ser resfriados a temperaturas em que fenômenos quânticos coletivos intrincados aparecem”, afirma Georges.
Um Padrão Magnético Universal Surge
Os dados revelaram um resultado impressionante. “As correlações magnéticas seguem um único padrão universal quando plotadas contra uma escala de temperatura específica”, explica o autor principal Thomas Chalopin do Instituto Max Planck de Óptica Quântica. “E essa escala é comparável à temperatura do pseudogap, o ponto em que o pseudogap emerge.” Isso significa que o pseudogap está intimamente ligado a estruturas magnéticas sutis que persistem sob o que inicialmente parece ser desordem.
O estudo também mostrou que as interações eletrônicas nesse regime são mais complexas do que simplesmente pares. Em vez disso, os elétrons formam estruturas correlacionadas de múltiplas partículas. Mesmo um único dopante pode perturbar a ordem magnética em uma área surpreendentemente ampla. Ao contrário de pesquisas anteriores que focaram apenas em pares de elétrons, este estudo mediu correlações envolvendo até cinco partículas ao mesmo tempo, um nível de detalhe alcançado por apenas um pequeno número de laboratórios em todo o mundo.
Revelando Correlações Ocultas
Para os teóricos, essas descobertas fornecem um novo referencial importante para modelos do pseudogap. De forma mais ampla, os resultados aproximam os cientistas da compreensão de como a supercondutividade em altas temperaturas emerge do movimento coletivo de elétrons interagentes e dançantes. “Ao revelar a ordem magnética oculta no pseudogap, estamos desvendando um dos mecanismos que pode estar relacionado à supercondutividade”, explica Chalopin.
O trabalho também destaca a importância da estreita cooperação entre teoria e experimento. Ao combinar previsões teóricas precisas com simulações quânticas cuidadosamente controladas, os pesquisadores foram capazes de descobrir padrões que, de outra forma, permaneceriam ocultos.
Esse esforço internacional reuniu expertise experimental e teórica, e experimentos futuros têm como objetivo esfriar ainda mais o sistema, buscar formas adicionais de ordem e desenvolver novas maneiras de observar a matéria quântica sob novas perspectivas.
“Simulações quânticas análogas estão entrando em uma nova e excitante fase, que desafia os algoritmos clássicos que desenvolvemos no CCQ”, diz Georges. “Ao mesmo tempo, esses experimentos requerem orientação da teoria e simulações clássicas. A colaboração entre teóricos e experimentalistas é mais importante do que nunca.”
