Cientistas detectam ‘demônio’ em metal supercondutor

Há muito tempo os físicos suspeitam que pedaços de metal poderiam vibrar de uma forma peculiar que seria praticamente invisível. Agora, os físicos descobriram esses ‘modos demoníacos’

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Por Charlie Wood
Atualização:

QUANTA MAGAZINE – Em 1956, David Pines formulou um fantasma. Ele previu a existência de mares de ondulações elétricas que poderiam se neutralizar mutuamente, tornando o oceano como um todo imóvel, mesmo quando as ondas individuais diminuíssem e fluíssem. A estranheza, que veio a ser conhecida como o demônio de Pines, seria eletricamente neutra e, portanto, invisível à luz - a definição de difícil de detectar.

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Ao longo das décadas, os físicos conseguiram vislumbrar variantes de demônios. Mas o demônio original de Pines (que surgiria naturalmente a partir de elétrons em blocos metálicos) não foi detectado.

Agora, uma equipe de físicos da Universidade de Illinois, em Urbana-Champaign, nos Estados Unidos, parece ter detectado o demônio de Pines. Depois de refinar uma técnica para rastrear com precisão os elétrons à medida que eles ricocheteiam em um material, a equipe produziu e detectou uma série de ondas periódicas que ondulam em enxames de elétrons. Essas ondas, que os físicos chamam de “modos”, correspondem em grande parte aos cálculos de Pines. Os pesquisadores detalharam suas descobertas na Nature em agosto.

“Esses modos não são vistos há 70 anos”, disse Piers Coleman, físico teórico da Universidade Rutgers. Mas esse novo experimento, de alguma forma, “capta esses modos demoníacos”.

Os físicos detectaram uma onda "demoníaca" incomum de elétrons que é invisível à radiação eletromagnética Foto: Kristina Armitage/Quanta Magazine

Imagine demônios

A década de 1950 foi uma época de grande expansão para o estudo de elétrons em metais. Os físicos já haviam desenvolvido uma teoria simplista que ignorava a tendência dos elétrons de se afastarem uns dos outros, tratando-os coletivamente como se formassem uma espécie de gás de fluxo livre. Em 1952, Pines e seu consultor, David Bohm, deram um passo adiante. Depois de acrescentar interações eletrônicas a essa teoria do “gás de elétrons”, eles descobriram que os elétrons podiam se agrupar em alguns lugares e se espalhar em outros. Esses elétrons agrupados formavam ondas organizadas de densidade alternadamente maior e menor (e, portanto, regiões de carga elétrica maior e menor).

Em seguida, Pines levou a nova teoria ainda mais longe. Ele imaginou um material contendo dois gases, cada um feito de um tipo diferente de partícula carregada. Especificamente, ele imaginou um metal com elétrons “pesados” e elétrons “leves”. (Todos os elétrons são idênticos na teoria, mas no mundo real suas propriedades mensuráveis dependem do ambiente em que se encontram). Pines descobriu que as ondas no primeiro gás poderiam neutralizar as ondas no segundo; onde os elétrons pesados se aglomeravam, os elétrons leves se afinavam. Então, à medida que os aglomerados de elétrons pesados se dispersavam, os elétrons mais leves se reuniam para preencher as áreas mais finas. Como um gás engrossava exatamente onde o outro gás afinava, a densidade geral de elétrons dos dois tipos juntos - e, portanto, a carga geral e o campo elétrico - permaneceriam neutros e imutáveis. “As coisas podem estar se movendo mesmo quando parecem não estar”, disse Anshul Kogar, físico de matéria condensada da Universidade da Califórnia, em Los Angeles.

David Pines previu que uma onda "demoníaca" invisível poderia surgir em materiais com dois tipos de elétrons Foto: Minesh Bacrania/SFI/Quanta Magazine

A luz reflete apenas em objetos com uma distribuição desigual de carga elétrica, de modo que a neutralidade da vibração de Pines a tornou perfeitamente invisível. A luz vem em pacotes de energia chamados fótons, e Pines batizou os pacotes de energia de sua onda de “demônios”. O nome foi uma referência ao experimento de pensamento demoníaco de James Clerk Maxwell, um físico pioneiro que, lamentou Pines, viveu cedo demais para ter uma partícula ou onda batizada em sua homenagem. “Sugiro que, em homenagem a Maxwell, e porque lidamos aqui com um caso de movimento distinto de elétrons (ou DEM), chamemos essas novas excitações de ‘demônios’”, escreveu Pines em 1956.

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Ao longo das décadas, os físicos observaram ondas semelhantes a demônios em vários materiais. Em 1982, pesquisadores do Bell Labs detectaram ondas opostas em folhas vizinhas de arseneto de gálio. E este ano, uma equipe liderada por Feng Wang, da Universidade da Califórnia, em Berkeley, descreveu um experimento que capturou ondas quase invisíveis de elétrons batendo em sincronia com ondas ligeiramente mais finas de objetos parecidos com partículas carregadas positivamente em uma folha de grafeno.

Ver o demônio em um sólido tridimensional é um pouco especial

Anshul Kogar, físico de matéria condensada da Universidade da Califórnia, em Los Angeles

Mas esses avistamentos ocorreram principalmente em sistemas bidimensionais, onde uma característica demoníaca definidora era menos marcante. Devido a uma peculiaridade na dimensionalidade, em 2D é possível desencadear uma onda de carga com o mínimo de esforço possível. Mas em 3D, iniciar uma onda requer uma quantidade mínima de energia para fazer com que os elétrons sociais se aglomerem. Os demônios eletricamente neutros são poupados dessa taxa de energia 3D. “Ver o demônio em um sólido tridimensional é um pouco especial”, disse Kogar, que fez sua pesquisa de doutorado com o grupo de Urbana-Champaign.

Aqui estão os demônios

A equipe de Urbana-Champaign, liderada por Peter Abbamonte, nunca foi à caça de demônios. O demônio de Pines foi direto para o laboratório deles.

Em 2010, o grupo de Abbamonte começou a desenvolver uma técnica para detectar tremores finos que ondulavam através de hordas de elétrons. Eles bombardeavam um material com elétrons e registravam com precisão a energia que eles carregavam e o caminho que tomavam quando ricocheteavam. Com base nos detalhes desses ricochetes, o grupo podia inferir como o material reagia à colisão, o que, por sua vez, revelava as propriedades de quaisquer ondas criadas pela colisão. Era um pouco como determinar se uma banheira estava cheia de água, mel ou gelo, jogando bolas de pingue-pongue nela.

Peter Abbamonte, físico da Universidade de Illinois, Urbana-Champaign, não foi à procura do demônio de Pines. Seu grupo se deparou com ele enquanto explorava uma nova maneira de estudar materiais Foto: Universidade de Illinois/Quanta Magazine

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Há alguns anos, os pesquisadores decidiram colocar na mira um metal supercondutor chamado rutenato de estrôncio. Sua estrutura é semelhante à de uma misteriosa classe de supercondutores “cupratos” à base de cobre, mas ele pode ser fabricado de uma forma mais pura. Embora a equipe não tenha descoberto os segredos dos cupratos, o material respondeu de uma forma que Ali Husain, que havia refinado a técnica como parte de seu doutorado, não entendia.

Husain descobriu que os elétrons que ricocheteavam eram privados de sua energia e momento, o que indicava que eles estavam provocando ondulações de drenagem de energia no rutenato de estrôncio. Mas as ondas desafiaram suas expectativas: Elas se moviam 100 vezes mais rápido do que as ondas sonoras (que ondulam através dos núcleos atômicos) e mil vezes mais devagar do que as ondas de carga que se espalhavam pela superfície plana do metal. Além disso, sua energia era extremamente baixa.

“Achei que devia ser um artefato”, disse Husain. Então, ele colocou outras amostras, experimentou outras tensões e até mesmo pediu a outras pessoas que fizessem as medições.

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As vibrações não identificadas permaneceram. Depois de fazer as contas, o grupo percebeu que as energias e os momentos das ondulações se encaixavam perfeitamente na teoria de Pines. O grupo sabia que, no rutenato de estrôncio, os elétrons viajam de átomo para átomo usando um dos três canais distintos. A equipe concluiu que, em dois desses canais, os elétrons estavam sincronizados para neutralizar o movimento um do outro, desempenhando os papéis dos elétrons “pesados” e “leves” na análise original de Pines. Eles haviam encontrado um metal com a capacidade de hospedar o demônio de Pines.

“Ele é estável no rutenato de estrôncio”, disse Abbamonte. “Ele está sempre lá.”

As ondulações não correspondem perfeitamente aos cálculos de Pines. E Abbamonte e seus colegas não podem garantir que não estejam vendo uma vibração diferente e mais complicada. Mas, de modo geral, dizem outros pesquisadores, o grupo apresenta um forte argumento de que o demônio de Pines foi capturado.

“Eles fizeram todas as verificações de boa-fé possíveis”, disse Sankar Das Sarma, um teórico da matéria condensada da Universidade de Maryland que fez um trabalho pioneiro sobre vibrações de demônios.

Demônios soltos

Agora que os pesquisadores suspeitam que o demônio existe em metais reais, alguns não podem deixar de se perguntar se os movimentos imóveis têm algum efeito no mundo real. “Eles não devem ser raros e podem fazer coisas”, disse Abbamonte.

Por exemplo, as ondas sonoras que ondulam através de redes metálicas ligam os elétrons de uma forma que leva à supercondutividade e, em 1981, um grupo de físicos sugeriu que as vibrações de demônios poderiam conjurar a supercondutividade de forma semelhante. O grupo de Abbamonte escolheu originalmente o rutenato de estrôncio por sua supercondutividade pouco ortodoxa. Talvez o demônio possa estar envolvido.

Ali Husain desenvolveu uma maneira de medir com precisão as energias e os caminhos dos elétrons que ricocheteiam; essas observações revelaram modos demoníacos no rutenato de estrôncio Foto: Matteo Mitrano/Quanta Magazine

“Não se sabe se o demônio desempenha ou não um papel”, disse Kogar, “mas é outra partícula no jogo”. (Os físicos costumam pensar em ondas com determinadas propriedades como partículas).

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Mas a principal novidade da pesquisa está na detecção do efeito metálico há muito esperado. Para os teóricos da matéria condensada, a descoberta é uma coda satisfatória para uma história de 70 anos.

“É um pós-escrito interessante para a história inicial do gás de elétrons”, disse Coleman.

E para Husain, que concluiu seu curso em 2020 e agora trabalha na empresa Quantinuum, a pesquisa sugere que os metais e outros materiais estão repletos de vibrações estranhas que os físicos não têm instrumentos para entender.

“Elas estão ali paradas”, disse ele, “esperando para serem descobertas”. / TRADUÇÃO POR GUILHERME GUERRA

História original republicada com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente apoiada pela Simons Foundation. Leia o conteúdo original em Invisible ‘Demon’ Discovered in Odd Superconductor.

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