Em certos materiais, a carga eléctrica só pode mover-se em direcções muito específicas. Pesquisadores da TU Wien (Viena) mostraram agora que isso pode ser explicado por efeitos magnéticos.
A supercondutividade em alta temperatura é um dos grandes mistérios da física moderna: alguns materiais conduzem corrente elétrica sem qualquer resistência – mas apenas em temperaturas muito baixas. Encontrar um material que permaneça supercondutor mesmo à temperatura ambiente desencadearia uma revolução tecnológica. Pessoas de todo o mundo estão, portanto, trabalhando para obter uma compreensão melhor e mais abrangente desses materiais.
Um passo importante foi dado agora na TU Wien (Viena). Uma classe particularmente interessante de supercondutores de alta temperatura, conhecida como cupratos, exibe um efeito muito surpreendente: sob certas condições, os elétrons nestes materiais só podem se mover em determinadas direções. As direções permitidas podem ser visualizadas como curvas, conhecidas como “arcos de Fermi”. Esses arcos podem ser visualizados com a ajuda da luz laser, que elimina especificamente os elétrons do material. Uma equipe do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien conseguiu agora desenvolver modelos teóricos e numéricos que explicam este efeito: É causado pelas interações magnéticas entre os elétrons de diferentes átomos.
Muitas perguntas sem resposta sobre supercondutividade em alta temperatura
As explicações para a supercondutividade já existem há muito tempo: o Prémio Nobel foi atribuído em 1972 pela chamada “teoria BCS”, que pode ser usada para descrever matematicamente a supercondutividade em metais. No entanto, esta teoria falha quando se trata de materiais particularmente interessantes que permitem a supercondutividade mesmo em temperaturas comparativamente altas (embora ainda bastante baixas para os padrões humanos). Esses materiais incluem cupratos – compostos contendo cobre que estão entre os materiais supercondutores mais pesquisados atualmente.
“Olhando para esses materiais, nos deparamos com toda uma série de fenômenos inexplicáveis, muitas vezes intimamente relacionados”, disse Alessandro Toschi, que coordenou o projeto de pesquisa junto com Karsten Held. Um desses fenômenos são os 'arcos de Fermi'.
É possível adicionar elétrons adicionais aos supercondutores de alta temperatura e então medir como esses elétrons se movem no material – ou, colocando isso da perspectiva da física quântica: quais estados quânticos esses elétrons podem assumir. Durante essas medições, os pesquisadores se depararam com uma surpresa: “O material só permite certas direções de impulso”, diz Matthias Reitner (TU Wien). “Isso significa que os elétrons só podem se mover em certas direções.” Os estados permitidos pela física quântica estão em uma curva (um arco de Fermi) que termina abruptamente em certos pontos – um comportamento extremamente atípico que não pode ser explicado usando modelos teóricos convencionais.
Padrão de tabuleiro de xadrez antiferromagnético
No entanto, a equipa da TU Wien – Paul Worm, Matthias Reitner, Karsten Held e Alessandro Toschi – conseguiu agora explicar teoricamente este comportamento surpreendente. Eles desenvolveram simulações computacionais complexas, bem como um modelo analítico que descreve o fenômeno usando uma fórmula simples.
“A chave para o efeito é uma interação antiferromagnética”, diz Matthias Reitner. Antiferromagnetismo significa que a direção magnética de um átomo está preferencialmente alinhada na direção oposta ao átomo vizinho. “Nos cupratos que modelamos, esta é uma interação antiferromagnética de longo alcance”, diz Matthias Reitner. “Os momentos magnéticos dos elétrons em diferentes átomos alinham-se, portanto, ao longo de longas distâncias, de tal forma que a orientação magnética dos elétrons sempre alterna entre uma direção e outra – semelhante a um tabuleiro de xadrez, onde cada campo é colorido de forma diferente da sua direção direta. vizinhos.” A equipe de pesquisa conseguiu mostrar que esse padrão magnético leva subsequentemente ao estranho comportamento dos elétrons, dependente da direção.
“Pela primeira vez, conseguimos apresentar um modelo teórico para o fim abrupto dos arcos de Fermi e explicar por que o movimento dos elétrons em tais materiais só é possível em certas direções”, diz Paul Worm. “Este avanço não só nos ajuda a compreender melhor alguns dos mistérios não resolvidos dos supercondutores de alta temperatura, mas também pode avançar pesquisas futuras em materiais com propriedades não convencionais semelhantes.”
Publicação original
P. Worm et al., Arcos de Fermi e Luttinger: dois conceitos, realizados em uma superfície, Phys. Rev. 133, 166501
