Fractais quânticos na fronteira do magnetismo podem explicar supercondutividade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/08/2010

Com o desenvolvimento das teorias, mas sobretudo dos equipamentos de altíssima precisão necessários, os cientistas estão aos poucos explorando a difusa fronteira entre a física clássica e a física quântica.
[Imagem: Frank Steglich]

Elementos quânticos da supercondutividade

Um estudo das mudanças de fase quânticas, realizado por um grupo internacional de cientistas, revelou uma relação surpreendente entre o magnetismo e a eletricidade.

"Nossos experimentos mostram claramente que as variáveis da física clássica não conseguem explicar todas as propriedades macroscópicas dos materiais nos pontos quânticos críticos," afirma o físico experimentalista Frank Steglich, do Instituto Max Planck, na Alemanha.

Os cientistas estão interessados em compreender melhor a supercondutividade de alta temperatura porque essa tecnologia pode revolucionar os geradores elétricos, os escâneres de ressonância magnética, os trens de alta velocidade e muitos outros dispositivos.

"A supercondutividade tem sido citada como o maior enigma não resolvido na física moderna, e estes resultados dão um apoio adicional à ideia de que os efeitos correlacionados aos elétrons - incluindo a supercondutividade de alta temperatura - decorrem dos pontos críticos quânticos," afirma o físico teórico Qimiao Si, da Universidade Rice, nos Estados Unidos, que coordenou o grupo.

Matéria quântica crítica

Ao estudar uma classe de materiais que inclui os supercondutores de alta temperatura, os cientistas inesperadamente descobriram um comportamento simples de "transformação de escala" nas excitações eletrônicas em um desses materiais.

Os experimentos, realizados com metais de férmions pesados magnéticos, mostraram uma prova direta das consequências eletrônicas em larga escala dos efeitos "quanticamente críticos".

Os experimentos realizados pelo grupo de Steglich usaram um metal de férmions pesados contendo itérbio, ródio e silício - um composto da família das chamadas terras raras, conhecido como YRS (YbRh2Si2). O YRS é um dos materiais quanticamente críticos mais estudados e melhor caracterizados.

A criticalidade quântica se refere a uma transição de fase, ou ponto de inflexão, que marca uma mudança abrupta nas propriedades físicas de um material.

O exemplo mais comum de uma mudança de fase é o derretimento do gelo, que marca a mudança da água da fase sólida para uma fase líquida.

O termo "matéria quântica crítica" se refere a qualquer material que passe por uma transição de fase devido exclusivamente à agitação das partículas subatômicas, como descrito pelo princípio da incerteza de Heisenberg.

Os metais de férmions pesados, como o YRS, são uma classe de materiais quanticamente críticos, e há indícios consideráveis de que os supercondutores de alta temperatura representam uma outra classe desse mesmo tipo.

Ponto crítico quântico

A supercondutividade de alta temperatura geralmente surge no limiar do magnetismo, e alguns físicos acreditam que ela se origina nas flutuações associadas com a criticalidade magnética quântica.

Em sistemas magnéticos, como o YRS, as teorias tradicionais tentam explicar a criticalidade quântica levando em conta apenas o magnetismo. Nesta abordagem, os elétrons - os transportadores da eletricidade - são vistos como detalhes microscópicos que não desempenham qualquer papel na criticalidade quântica.

Em 2001, Qimiao Si e seus colegas propuseram uma nova teoria baseada em um novo tipo de ponto crítico quântico. Sua "criticalidade quântica local" incorpora tanto o magnetismo quanto as excitações eletrônicas induzidas por cargas.

A previsão fundamental da teoria é que o volume de Fermi colapsa no ponto crítico quântico. O "volume de Fermi" se refere aos momentos combinados - ou comprimentos de onda - de todos os elétrons em um sólido cristalino. Ele existe porque os elétrons - que são parte da família de partículas elementares chamadas "férmions" - devem ocupar diferentes estados quânticos.

Em 2004, o grupo registrou o primeiro indício do colapso de um volume de Fermi em uma matéria quântica crítica, e três anos mais tarde verificou os primeiros sinais indicadores de uma relação entre o colapso do volume de Fermi e as propriedades termodinâmicas, também usando o YRS.

Transição de fase quântica

Ilustração esquemática de um ponto crítico quântico mostrando o diagrama de fase (a) e o crescimento de gotas de matéria quântica crítica nas proximidades do ponto crítico quântico.
[Imagem: Piers Coleman1 & Andrew J. Schofield2]

No YRS, a transição de uma fase quântica para outra - o ponto de inflexão - é marcada por uma inversão entre os estados magnéticos e não-magnéticos.

Resfriando o YRS a uma temperatura próxima ao zero absoluto, e ajustando o campo magnético aplicado ao YRS super-resfriado, a equipe de Steglich conseguiu marcar os pontos ao longo do continuum magnético que marcam tanto o surgimento quanto o término do colapso do volume de Fermi.

No presente estudo, este método foi aplicado de forma sistemática ao longo de uma grande faixa de temperaturas e campos magnéticos.

Para descartar a possibilidade de que irregularidades em uma amostra em particular estivessem influenciando os resultados, a equipe estudou duas amostras de qualidades diferentes e aplicou um conjunto idêntico de testes para cada uma.

Para cada amostra, os pesquisadores mediram a largura do cruzamento - a distância entre os pontos inicial e final da mudança do volume de Fermi.

A extensa gama de experimentos estabeleceu que a mudança no volume de Fermi é robusta, ou acontece praticamente da mesma forma mesmo em diferentes tipos de amostras.

Matemática dos fractais

Mas os experimentos também revelaram algo inteiramente novo.

"Após centenas de experimentos, nós plotamos a largura do cruzamento como uma função da temperatura, e o gráfico formou uma linha reta que ia direto até a origem," conta Steglich. "O efeito foi o mesmo, independentemente das diferenças entre as amostras, de modo que claramente não resulta de problemas na preparação da amostra."

"A dependência linear da largura do cruzamento do volume de Fermi em relação à temperatura revela propriedades quânticas críticas 'de transformação de escala' sobre as excitações eletrônicas," conclui Si. "É impressionante que o 'redimensionamento' eletrônico seja tão forte em um ponto crítico quântico magnético".

Essa "transformação de escala" ou "redimensionamento" refere-se ao fato de que a matemática que descreve o relacionamento eletrônico é semelhante à matemática que descreve os fractais. O relacionamento descrito é o mesmo, independentemente de a escala ser grande ou pequena.

Qimiao Si afirma que a transformação de escala no ponto crítico quântico também é "dinâmico", o que quer dizer que ele não ocorre apenas como uma função das escalas de comprimento, mas também em termos das escalas de tempo.

"Os experimentos oferecem, pela primeira vez, indícios de uma propriedade saliente da criticalidade quântica local, ou seja, a força motriz para a transformação de escala dinâmica é o colapso do volume de Fermi, ainda que a transição quântica seja magnética", afirma Silke Paschen, da Universidade de Tecnologia de Viena, e coautor da pesquisa.

Interface clássico-quântico

Com o desenvolvimento das teorias, mas sobretudo dos equipamentos de altíssima precisão necessários, os cientistas estão aos poucos explorando a difusa fronteira entre a física clássica e a física quântica.

Além da revolucionária descoberta da magnetricidade, recentemente, pesquisadores dos Estados Unidos usaram uma fita metálica vibrante para demonstrar que a mecânica quântica aplica-se ao movimento de objetos macroscópicos.

Outros experimentos explorando a interface entre a física clássica e a física quântica incluem uma esfera que levita por luz e um pêndulo mecânico acionado por um sistema quântico.

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