Quando os elétrons se juntam, mais truques quânticos tornam a supercondutividade inevitável. Normalmente, os elétrons não podem se sobrepor, mas os pares de Cooper seguem uma regra diferente da mecânica quântica; eles agem como partículas de luz, qualquer número que pode se acumular na cabeça de um alfinete. Muitos pares de Cooper se unem e se fundem em um único estado de mecânica quântica, um “superfluido”, que se torna alheio aos átomos pelos quais passa.
A teoria BCS também explicou por que o mercúrio e a maioria dos outros elementos metálicos superconduzem quando resfriados perto do zero absoluto, mas param de fazê-lo acima de alguns kelvins. Ondulações atômicas são as colas mais fracas. Aumente o calor e ele balança os átomos e lava as vibrações da rede.
Então, em 1986, os pesquisadores da IBM Georg Bednorz e Alex Müller tropeçaram em uma cola de elétrons mais forte em cupratos: cristais consistindo de folhas de cobre e oxigênio intercaladas entre camadas de outros elementos. Depois de observarem um cuprato supercondutor a 30 kelvins, os pesquisadores logo descobriram outros supercondutores acima de 100 e depois acima de 130 kelvins.
A descoberta lançou um esforço generalizado para entender a cola mais resistente responsável por essa supercondutividade de “alta temperatura”. Talvez os elétrons tenham se agrupado para criar concentrações irregulares e ondulantes de carga. Ou talvez eles tenham interagido por meio do spin, uma propriedade intrínseca do elétron que o orienta em uma direção específica, como um ímã de tamanho quântico.
O falecido Philip Anderson, um americano laureado com o Nobel e uma lenda em física da matéria condensada, apresentou uma teoria apenas alguns meses após a descoberta da supercondutividade de alta temperatura. No cerne da cola, ele argumentou, estava um fenômeno quântico previamente descrito chamado supertroca – uma força que surge da capacidade dos elétrons de saltar. Quando os elétrons podem pular entre vários locais, sua posição em qualquer momento torna-se incerta, enquanto seu momento se torna definido com precisão. Um momento mais agudo pode ser um momento mais baixo e, portanto, um estado de energia mais baixa, que as partículas procuram naturalmente.
O resultado é que os elétrons buscam situações nas quais possam pular. Um elétron prefere apontar para baixo quando seu vizinho aponta para cima, por exemplo, já que essa distinção permite que os dois elétrons saltem entre os mesmos átomos. Desta forma, a supertroca estabelece um padrão regular up-down-up-down de spins de elétrons em alguns materiais. Ele também cutuca os elétrons para ficarem a uma certa distância. (Muito longe e eles não podem pular.) É essa atração efetiva que Anderson acreditava poder formar pares fortes de Cooper.
Os experimentalistas lutaram por muito tempo para testar teorias como a de Anderson, já que as propriedades materiais que eles podiam medir, como refletividade ou resistência, ofereciam apenas resumos grosseiros do comportamento coletivo de trilhões de elétrons, não pares.
“Nenhuma das técnicas tradicionais da física da matéria condensada foi projetada para resolver um problema como este”, disse Davis.
Super-Experiência
Davis, um físico irlandês com laboratórios em Oxford, Cornell University, University College Cork e na International Max Planck Research School for Chemistry and Physics of Quantum Materials em Dresden, gradualmente desenvolveu ferramentas para examinar cupratos no nível atômico. Experimentos anteriores mediram a força da supercondutividade de um material resfriando-o até atingir a temperatura crítica onde a supercondutividade começou – com temperaturas mais quentes indicando cola mais forte. Mas na última década, o grupo de Davis refinou uma maneira de estimular a cola em torno de átomos individuais.
Eles modificaram uma técnica estabelecida chamada microscopia de tunelamento de varredura, que arrasta uma agulha através de uma superfície, medindo a corrente de elétrons saltando entre os dois. Ao trocar a ponta metálica normal da agulha por uma ponta supercondutora e varrê-la através de um cuprato, eles mediram uma corrente de pares de elétrons em vez de indivíduos. Isso permitiu que eles mapeassem a densidade dos pares de Cooper ao redor de cada átomo – uma medida direta da supercondutividade. Eles publicaram a primeira imagem de enxames de pares de Cooper em Natureza em 2016.
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