Chave quântica perfeita liga e desliga supercondutividade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/11/2023

Representação da simetria emergente, mostrando uma gota de água perfeitamente simétrica emergindo de uma camada de neve. Os cristais de gelo na neve têm uma forma complexa e, portanto, uma simetria inferior à da gota de água. A cor púrpura denota o bronze de molibdênio no qual esse fenômeno foi descoberto.
[Imagem: University of Bristol]

Simetria emergente

Físicos descobriram um fenômeno que pode permitir a criação de uma "chave perfeita" para dispositivos eletroeletrônicos ou quânticos - só que, diferentemente de um interruptor comum, que liga ou desliga a corrente elétrica, esta chave quântica alterna o material entre ele ser um isolante e um supercondutor.

Piotr Chudzinski e colegas das universidades de Bristol (Reino Unido) e Radboud (Países Baixos) descobriram que esses dois estados eletrônicos opostos - isolante e supercondutor - existem no bronze de molibdênio, um metal unidimensional, ou monoatômico, composto de cadeias condutoras formadas por fileiras de átomos individuais.

O bronze de molibdênio é um nome genérico para alguns óxidos mistos do elemento molibdênio, com a fórmula genérica A_xMo_yO_z, onde A pode ser hidrogênio, um cátion de metal alcalino (como Li+, Na+, K+) e Tl+. Esses compostos formam cristais em forma de placa com cores profundas e brilho metálico, o que faz com que também sejam conhecidos como "bronze púrpura" ou "bronze roxo".

Pequenas mudanças no material, por exemplo provocadas por um pequeno estímulo como calor ou luz, podem desencadear uma transição instantânea de um estado isolante, com condutividade elétrica zero, para um estado supercondutor, com condutividade elétrica ilimitada - e vice-versa. Esta versatilidade polarizada, conhecida como "simetria emergente", permite criar um interruptor liga/desliga ideal em futuros desenvolvimentos de tecnologias quânticas.

Em outras palavras, em vez de ser um isolante de Mott ou um supercondutor, o material se apresenta em um estado "superior", com simetria emergente, permitindo que seu estado seja "escolhido" mediante uma entrada de energia adequada.

"Imagine um truque de mágica, no qual uma figura opaca e distorcida se transforma em uma esfera linda e perfeitamente simétrica. Esta é, em poucas palavras, a essência da simetria emergente. A figura em questão é o nosso material, o bronze púrpura, enquanto o nosso mágico é a própria natureza," disse Chudzinski.

O material estudado é um bronze de molibdênio de fórmula Li_0.9Mo₆O₁₇.
[Imagem: Piotr Chudzinski et al. - 10.1126/science.abp8948]

Escolhendo entre isolante e supercondutor

Na ausência de um campo magnético, a resistência do bronze de molibdênio depende muito da direção em que a corrente elétrica é introduzida.

A sua dependência da temperatura também é bastante complicada: Perto da temperatura ambiente, a resistência é igual à dos metais; mas, à medida que a temperatura diminui, isso se inverte e o material parece estar se transformando em um isolante. Então, nas temperaturas mais baixas, a resistência cai novamente, só que cai muito, e o material faz a transição para um supercondutor.

Apesar desta complexidade, surpreendentemente a magnetorresistência revelou-se extremamente simples: Ela é essencialmente a mesma, independentemente da direção em que a corrente ou campo está alinhado e segue uma dependência linear perfeita da temperatura, desde a temperatura ambiente até a temperatura de transição supercondutora.

Levou nada menos do que sete anos para que a equipe conseguisse desvendar essa "simplicidade": A simetria emergente surge graças à interferência entre os elétrons condutores e quasipartículas conhecidas como "éxcitons escuros" - éxcitons são partículas compostas formadas pelo acoplamento de uma carga negativa (um elétron) com uma carga positiva (uma lacuna), no interior de um material sólido, tipicamente um isolante ou um semicondutor; os éxcitons escuros não emitem fótons e nem podem ser medidos por eles.

A interação entre os portadores de carga (elétrons) e os éxcitons escuros faz com que os elétrons gravitem em direção à fronteira entre os estados isolante e supercondutor à medida que a temperatura diminui. Na própria fronteira, a probabilidade de o material apresentar-se como um isolante ou um supercondutor é essencialmente a mesma.

"Após o esforço hercúleo de Maarten, a história ficou completa e a razão pela qual diferentes cristais apresentam estados fundamentais tão diferentes tornou-se aparente," disse o professor Nigel Hussey referindo-se ao trabalho do pesquisador Martin Berben, que sintetizou mais de 100 cristais do bronze de molibdênio para estudar a "escolha" do material entre as duas condições. "Olhando para o futuro, pode ser possível explorar esta 'incerteza' para criar interruptores em circuitos quânticos, nos quais pequenos estímulos induzem mudanças profundas, de ordens de magnitude, na resistência do interruptor," completou Hussey.

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