Uma ordem magnética oculta poderia liberar a supercondutividade.

A descoberta

A descoberta surgiu de experimentos realizados com 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 de elétrons vizinhos. 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 em direção à explicação da supercondutividade não convencional e foi possibilitado por 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) no Flatiron Institute da Fundação Simons na cidade de Nova York.

A equipe internacional relatou suas descobertas nas Atas da Academia Nacional de Ciências.

Por que a Supercondutividade Continua a Ser um Enigma

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

Em muitos supercondutores de alta temperatura, o estado supercondutor não surge diretamente de uma fase metálica ordinária. Em vez disso, o material primeiro passa por uma fase intermediária conhecida como pseudocaixa. Durante essa fase, os elétrons se comportam de maneiras incomuns, e menos estados eletrônicos estão disponíveis para a passagem da corrente. Portanto, entender a pseudocaixa é amplamente considerado essencial para descobrir os mecanismos por trás da supercondutividade e melhorar o desempenho dos materiais.

Magnetismo sob Pressão por Doping

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

Esse padrão ordenado se desfaz 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 ao mostrar que, a temperaturas extremamente baixas, uma sutil forma de organização sobrevive sob a aparente desordem. Estes experimentos foram orientados por trabalhos teóricos anteriores sobre a pseudocaixa realizados no CCQ, que levaram a um artigo em 2024 na Science.

Simulando Matéria Quântica com Átomos Ultra-Fríos

Para explorar esse comportamento, a equipe de pesquisa utilizou 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 bilionésimos de grau acima do zero absoluto. Esses átomos foram dispostos em uma rede óptica cuidadosamente controlada criada com luz laser.

Simuladores quânticos de átomos ultra-frios permitem que os cientistas reproduzam comportamentos complexos de materiais em condições que experimentos de estado sólido tradicionais não podem alcançar. Usando um microscópio de gás quântico, que pode registrar átomos individuais e detectar sua orientação magnética, a equipe coletou mais de 35.000 instantâneas 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 analógicos baseados em átomos ultra-frios possam agora ser resfriados a temperaturas onde fenômenos coletivos quânticos intrincados aparecem”, diz Georges.

Um Padrão Magnético Universal Emergente

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 da pseudocaixa, o ponto em que a pseudocaixa emerge.” Isso significa que a pseudocaixa está intimamente ligada 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 simples emparelhamentos. Em vez disso, os elétrons formam estruturas correlacionadas maiores e multipartículas. Mesmo um único dopante pode perturbar a ordem magnética em uma área surpreendentemente ampla. Diferente de pesquisas anteriores que focaram apenas em pares de elétrons, este estudo mediu correlações envolvendo até cinco partículas de uma vez, um nível de detalhamento alcançado apenas em um pequeno número de laboratórios em todo o mundo.

Revelando Correlações Ocultas

Para os teóricos, essas descobertas fornecem um novo marco importante para os modelos da pseudocaixa. Mais amplamente, os resultados aproximam os cientistas de entender como a supercondutividade de alta temperatura emerge do movimento coletivo de elétrons interagentes e dançantes. “Ao revelar a ordem magnética oculta na pseudocaixa, estamos descobrindo um dos mecanismos que podem, em última instância, estar relacionados à supercondutividade”, explica Chalopin.

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

Esse esforço internacional reuniu expertise experimental e teórica, e experimentos futuros buscam resfriar o sistema ainda mais, procurar outras formas de ordem e desenvolver novas maneiras de observar a matéria quântica sob novas perspectivas.

“Simulações quânticas analógicas estão entrando em uma nova e emocionante fase, que desafia os algoritmos clássicos que desenvolvemos no CCQ,” diz Georges. “Ao mesmo tempo, esses experimentos exigem orientação da teoria e simulações clássicas. A colaboração entre teóricos e experimentalistas é mais importante do que nunca.”