YbSb2: supercondutor de tipo I quebra a simetria de reversão temporal

Em determinadas condições - como temperaturas tão baixas que fragilizam os ossos, inferiores às do espaço profundo - os supercondutores conseguem transportar eletricidade sem resistência, evitando a consequente perda de energia.

Embora apresentem composições químicas, intervalos de temperatura de funcionamento e propriedades magnéticas distintos, os supercondutores dividem-se em dois grupos.

Por um lado, os supercondutores convencionais e não convencionais distinguem-se pela forma como os seus eletrões se entrelaçam em duplas denominadas pares de Cooper. Neste estado de identidade partilhada, conseguem deslizar elegantemente pela desordem atómica dos materiais, permitindo um fluxo eléctrico contínuo.

Por outro, os supercondutores de tipo I e de tipo II reagem de maneiras diferentes aos campos magnéticos. Cada um tem limiares próprios a partir dos quais deixa subitamente de funcionar como supercondutor e passa a comportar-se como um condutor normal.

As variantes não convencionais e de tipo II são, em regra, consideradas mais exóticas: os Lamborghinis deste campo, por levarem os limites da física mais longe e exigirem engenharia especializada.

Também poderão estar mais aptas para o trabalho pesado em tecnologias como as imagiologias por ressonância magnética, tal como os Lamborghinis já foram tractores.

YbSb2: um supercondutor de tipo I invulgar

Mas talvez isso já não seja verdade. Pela primeira vez, físicos criaram um material supercondutor de tipo I que, aparentemente, consegue quebrar a simetria matemática do tempo - uma característica típica dos supercondutores não convencionais de tipo II.

Conhecida como simetria de reversão temporal, esta propriedade assenta na curiosa observação de que a maioria das leis da física funciona igualmente bem quer o tempo flua matematicamente para a frente, quer para trás.

Num estudo publicado recentemente na Physical Review Letters, uma equipa internacional de físicos, liderada pelo Instituto Indiano de Educação e Investigação Científica de Bhopal (IISER Bhopal), analisou e descreveu as qualidades eléctricas e quânticas singulares deste material. Os resultados sugerem que poderá, um dia, melhorar os projectos de computação quântica.

Os investigadores sintetizaram cristais únicos de um material denominado diantimoneto de itérbio (YbSb2) e recorreram a raios X para apurar a sua pureza química e a complexa estrutura cristalina. Esta estrutura é comum em supercondutores convencionais e não convencionais, pois permite o aparecimento de comportamentos quânticos.

Verificaram que a resistência eléctrica descia a zero e que o material se tornava abruptamente supercondutor a cerca de -272 graus Celsius (-457.6 graus Fahrenheit), apenas um pouco acima do zero absoluto (-273.15 graus Celsius).

Em conjunto com medições do calor específico, que avaliam a resposta dos electrões ao calor, estes dados confirmaram que o material possuía propriedades de supercondutor de tipo I.

A mesma medição ajudou ainda a confirmar o seu estado "totalmente com lacuna", isto é, a presença de uma barreira energética que dificulta a separação dos electrões emparelhados e, consequentemente, a saída do estado supercondutor.

Campos magnéticos e simetria de reversão temporal

A equipa utilizou também dois tipos de espectroscopia de spin de muões, uma técnica de sondagem quântica que revela os campos magnéticos no interior de um material ao bombardeá-lo com muões - partículas subatómicas fundamentais que se comportam como pequenos ímanes em barra.

Ao efectuarem esta experiência sem aplicar um campo magnético externo, observaram que, assim que o material entrou na fase supercondutora, surgiram espontaneamente no seu interior minúsculos campos magnéticos.

Esta foi a evidência decisiva de que o YbSb2 pode quebrar a simetria de reversão temporal. Quando o tempo é invertido matematicamente, os campos magnéticos invertem a direcção; se não o fizessem, preservariam, em vez de quebrar, esta curiosa propriedade temporal.

Numa outra versão desta técnica de sondagem quântica, os cientistas aplicaram campos magnéticos externos enquanto expunham o material a muões.

Além disso, quando está num estado supercondutor macroscópico, os electrões do YbSb2 não se emparelham da forma tradicional.

Em vez disso, unem-se num invulgar "tripleto de spin": trata-se de um par de Cooper, designado tripleto devido às combinações possíveis dos spins dos electrões.

Mais importante ainda, esta configuração chama-se, de forma ainda mais difícil de pronunciar, "estado tripleto internamente antissimétrico não unitário (INT)". Por isso, apresenta um momento magnético líquido: as suas forças magnéticas não se anulam.

Este tipo de emparelhamento permite ao YbSb2 quebrar autonomamente a simetria de reversão temporal, sem precisar de um campo magnético externo.

Para perceber como se formam os tripletos, os investigadores modelizaram o material a partir das suas características físicas fundamentais. O modelo revelou que cada electrão do par provém de orbitais energéticas diferentes.

Modos de Majorana no YbSb2 e computação quântica

Por conseguinte, a combinação das suas propriedades poderá permitir que o YbSb2 acolha "modos de superfície de Majorana sem lacuna", que não são um jogo Zelda de grande sucesso.

Isto significa que, a baixas temperaturas, enquanto o volume do material se comporta como um supercondutor através do qual os electrões fluem sem impedimentos, a superfície poderá manifestar modos de Majorana: excitações quânticas que actuam como as suas próprias antipartículas. (Possivelmente comparáveis a uma deliciosa Red Vine, que transmite ar através do seu volume e açúcar pelas extremidades.)

Isto pode representar mais do que um avanço teórico.

Estes "materiais quânticos topológicos" poderão proteger melhor a informação quântica, tornando-a menos vulnerável a condições externas, como o calor ou o ruído electromagnético. Estas fontes de interferência retiram os sistemas quânticos dos seus estados entrelaçados - e, logo, úteis - e reduzem-nos às capacidades de computação dos, enfim, computadores comuns.

A investigação foi publicada na Physical Review Letters.

Este artigo foi verificado por Fiona MacDonald e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detectar um erro, informe-nos, por favor.