Ondas de densidade de pares detetadas no ditelureto de urânio para além da supercondutividade

Os materiais em estado supercondutor despertam um enorme interesse entre os cientistas.

A razão está nas suas propriedades raras, sobretudo na capacidade de conduzir eletricidade sem qualquer resistência e sem perdas sob a forma de calor. Estas características prometem transformar a computação, as redes elétricas e os transportes.

O fenómeno ocorre a temperaturas muito baixas, quando eletrões livres condensam num estado quântico de baixa energia. Nessa situação, agrupam-se nos chamados pares de Cooper, que conseguem atravessar os materiais sem interferências.

Ondas de densidade de pares no ditelureto de urânio

Em 2007, os cientistas previram a existência de uma forma mais exótica de movimento dos eletrões, designada onda de densidade de pares (PDW). Neste caso, os pares de Cooper formam padrões específicos à medida que se deslocam, semelhantes às ondulações na areia.

Agora, uma equipa liderada por investigadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign encontrou provas convincentes da existência de PDW à superfície do metal ditelureto de urânio. Os resultados foram publicados na PNAS.

Além disso, os padrões persistiam fora do estado supercondutor convencional, algo que nunca tinha sido observado.

«As ondas de densidade de pares são o sorriso do Gato de Cheshire da supercondutividade», afirma o físico Eduardo Fradkin, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

«São o vestígio que permanece depois de a própria fase ter desaparecido.

«Nos supercondutores convencionais, os pares de Cooper formam-se quando ocorre a transição de fase completa, mas, neste sistema, a sua observação em PDW acima do ponto de transição mostra que se formam antes, num estado diferente.»

O ditelureto de urânio torna-se supercondutor abaixo de cerca de 2,1 kelvin, ou aproximadamente -271 °C. O material suscita especial interesse porque se pensa que seja um raro supercondutor de «tripleto de spin», no qual os eletrões emparelhados também apresentam uma pequena orientação magnética.

Como foram detetados os padrões

Já tinham sido detetados indícios de PDW neste metal. Para o examinar com maior detalhe, os investigadores recorreram a uma forma de ditelureto de urânio de elevada qualidade, produzida especificamente para o estudo.

O material foi analisado com um microscópio de varrimento por efeito de túnel (STM) com campo magnético vetorial, capaz de medir respostas magnéticas em várias direções arbitrárias.

«Uma vantagem fundamental da nossa experiência foi o equipamento de magneto vetorial recentemente desenvolvido, que permite uma gama invulgarmente ampla de campos magnéticos em várias direções», explica o físico Zhen Zhu, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

«Ao variarmos sistematicamente a intensidade e a direção do campo, juntamente com a temperatura, conseguimos acompanhar a evolução destes modos e ganhar confiança de que o comportamento observado era intrínseco.»

Os investigadores acrescentaram modelos teóricos para explicar os padrões de carga observados tanto abaixo da temperatura crítica necessária à supercondutividade como num ponto significativamente acima desse valor.

«Graças a novos métodos de crescimento de amostras de maior qualidade, conseguimos observar assinaturas espectrais que respondem à temperatura e aos campos magnéticos exatamente como seria de esperar das ondas de densidade de pares», diz a física Vidya Madhavan, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

«Demonstrámos ainda que os modos persistem acima da temperatura a que a supercondutividade desaparece, uma previsão teórica reveladora que até agora não tinha sido observada de forma convincente.»

Pares de Cooper fora do estado supercondutor

Isto não significa que haja supercondutividade no interior do ditelureto de urânio a temperaturas mais elevadas. Ajuda, porém, os físicos a compreender o funcionamento dos pares de Cooper e a forma como podem existir fora do estado supercondutor convencional.

A descoberta poderá também ajudar os investigadores a compreender melhor a física necessária para desenvolver supercondutores que funcionem a temperaturas mais elevadas. Esses avanços poderão, um dia, permitir uma utilização mais alargada destes materiais.

Existe outro estado de ondulação eletrónica, conhecido como ondas de densidade de carga (CDW), no qual alguns eletrões assumem padrões não uniformes. Compreender a ligação entre estas ondas e as PDW será essencial para interpretar resultados experimentais no futuro.

«As PDW são difíceis de analisar em materiais reais, porque se comportam como supercondutores convencionais em algumas experiências e como CDW noutras», afirma o físico Julian May-Mann, da Universidade de Stanford.

«Confirmar a existência de uma PDW exige tanto dados experimentais de elevada qualidade como uma análise teórica cuidadosa.»

A investigação foi publicada na PNAS.

Este artigo foi verificado e editado por Peter Dockrill. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.