Investigadores ultrapassam o limite de velocidade de um supercondutor

Os supercondutores tornam possíveis tecnologias dignas de ficção científica, desde comboios de levitação a aceleradores de partículas que recriam o Big Bang e máquinas médicas capazes de revelar os nossos segredos mais íntimos - felizmente, apenas os fisiológicos e não, talvez, uma paixão secreta pela dança da polca.

Mas os estados de superconductividade são frágeis. Para conduzirem eletricidade sem resistência nem a consequente perda de energia, os materiais têm de ser arrefecidos a temperaturas muito baixas, próximas da frieza sombria do espaço exterior.

A intensidade da corrente elétrica e dos campos magnéticos externos também pode retirar estes materiais do estado supercondutor, tal como o bigode de um gato curioso ou um espirro inoportuno pode derrubar uma fila precária de peças de dominó.

Existe, contudo, um limite ainda mais elevado, difícil de medir por métodos convencionais, como o transporte em corrente contínua (CC). Isto acontece porque é antecedido por perturbações quânticas que ocorrem em apenas milésimos de milionésimo de segundo.

Trata-se do limite de desemparelhamento: o ponto em que se desfazem os pares de eletrões entrelaçados, chamados pares de Cooper, que dão origem à superconductividade.

Num estudo inovador publicado na Nature Physics, os investigadores ultrapassaram um «limite de velocidade» de um supercondutor para examinar esse desemparelhamento. Fizeram-no passando pelas perturbadoras dinâmicas quânticas como um piloto de Fórmula 1 que deixa para trás um Modelo T com uma roda desalinhada.

Os limites magnéticos dos supercondutores

Os supercondutores de tipo I são, em geral, metais puros e têm pouca utilidade tecnológica, devido aos seus limites magnéticos particularmente frágeis. Os de tipo II representam, pelo contrário, um compromisso físico.

Estes últimos suportam limiares magnéticos mais elevados porque permitem que os campos magnéticos internos se propaguem sob a forma de pequenos tornados de eletricidade, conhecidos como vórtices quânticos. Assim, mantêm-se no estado supercondutor em condições mais extremas.

No entanto, se a corrente elétrica que atravessa um material de tipo II se tornar demasiado intensa, agita esses pequenos tornados e põe-nos em movimento. O resultado é resistência e calor, que acabam com a superconductividade.

«A nossa estratégia foi ultrapassar a dinâmica dos vórtices», resume Eryin Wang, autor principal do estudo e físico do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD), em Hamburgo, na Alemanha.

Pulsos ultrarrápidos para ultrapassar os vórtices quânticos

A equipa comparou dois materiais supercondutores: nitreto de nióbio (NbN) e um membro da família de supercondutores de óxido de ítrio, bário e cobre (YBCO), que apresentam «superconductividade de alta temperatura».

A escolha recaiu sobre estes materiais porque o primeiro tem uma simetria de lacuna de onda s, enquanto o segundo apresenta uma simetria de lacuna de onda d. Esta propriedade determina a facilidade com que os seus eletrões emparelhados se separam e, consequentemente, com que os materiais saem do estado supercondutor.

Mas como se ultrapassam processos quânticos que existem nos limites da física? Desenvolvendo um circuito ótico-elétrico que excede, por várias ordens de grandeza, a velocidade dos vórtices, que atuam a dezenas de quilómetros por segundo.

O dispositivo dirigiu pulsos ultrarrápidos de laser verde, com apenas 300 femtossegundos de duração - ou 10⁻¹⁵ segundos por femtossegundo -, para um interruptor. Este converteu o pulso ótico do laser num pulso de corrente elétrica com a duração de picossegundos, ou 10⁻¹² segundos por picossegundo: relativamente lento em comparação.

Esta sequência é muito mais rápida do que a dinâmica dos vórtices demora a provocar resistência, calor e a perda de superconductividade.

Por outras palavras, é uma verdadeira corrida quântica entre a tartaruga e a lebre, mas na qual a lebre parte enquanto a tartaruga ainda está a tomar o pequeno-almoço. Talvez a raposa que julga a prova tenha recebido discretamente alguns ovos para fechar os olhos a esta «inconsistência».

«Os nossos resultados sugerem que o transporte à escala dos picossegundos pode dar acesso a propriedades microscópicas dos supercondutores, incluindo a sua simetria de lacuna, que não estão diretamente disponíveis através do transporte convencional em CC», explica Andrea Cavalleri, responsável pelo grupo de Dinâmica da Matéria Condensada do MPSD.

Como o NbN e o YBCO perdem a superconductividade

Em concreto, observam os investigadores, o NbN manteve o estado supercondutor até a corrente elétrica aplicada atingir um limiar bem definido, muito acima do valor obtido por CC convencional, devido à duração extremamente curta do impulso. Nesse ponto, os seus pares de Cooper desfizeram-se e a superconductividade terminou abruptamente.

Já o material YBCO apresentou um enfraquecimento gradual do estado supercondutor. A diferença resulta das distintas simetrias de lacuna dos dois materiais.

A onda s do NbN tem uma lacuna de energia - a energia necessária para separar os pares de Cooper - igual em todas as direções do espaço dos momentos.

No YBCO, pelo contrário, a lacuna de energia varia consideravelmente e chega mesmo a desaparecer em certas direções do espaço dos momentos.

É como se o primeiro apostasse tudo numa mão de póquer, enquanto o segundo preferisse perder o seu dinheiro mais devagar.

Os investigadores chegaram, assim, à raiz fundamental da superconductividade: a estabilidade dos pares de Cooper de um material, o conceito quântico central do qual emergem outros efeitos.

A «abordagem inovadora» apresentada oferece uma base para testar as principais propriedades dos materiais supercondutores. Aplicar impulsos a uma maior variedade destes materiais poderá, assim, revelar propriedades como as simetrias de lacuna e a forma como reagem nas suas escalas de tempo fundamentais.

Como resume Jianqiao Meng, professor de Física da Universidade Central do Sul que não participou no trabalho, por vezes a corrida é mesmo ganha por quem é mais rápido:

«Este trabalho destaca o potencial dos pulsos de corrente ultrarrápidos como uma nova ferramenta poderosa para aceder às propriedades intrínsecas dos supercondutores.»

A investigação foi publicada na Nature Physics.

Este artigo foi sujeito a verificação factual e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.