Talento

A busca do físico de Stanford pelas chaves perfeitas para desvendar os mistérios da supercondutividade
Durante décadas, ZX Shen teve uma onda de curiosidade sobre o estranho comportamento dos elétrons que podem levitar ímãs.
Por Glennda Chui - 11/09/2020

Zhi-Xun Shen lembra vividamente de seu professor de física do ensino médio demonstrando o poder dos raios X removendo um pedaço de material radioativo de um frasco armazenado em um armário, jogando-o em um balde e fazendo com que os alunos coloquem as mãos entre o balde e um fósforo tela para revelar os ossos escondidos sob a pele e carne.

Zhi-Xun Shen
(Crédito da imagem: Cortesia de SLAC)

“Isso deixou uma impressão”, Shen relembrou com um sorriso. Às vezes ele se pergunta se aquele momento preparou o cenário para tudo o que se seguiu.

Shen não tinha, ele admite, grande interesse em física. Não havia muito incentivo para estudar na China em meados da década de 1970. O país estava nas garras da Revolução Cultural de 1966, que fechou todas as universidades e deixou a maior parte do país, incluindo a cidade ao sul de Xangai, onde seus pais trabalhavam na medicina, na pobreza. Mas enquanto Shen e sua mãe observavam seu irmão embarcar em um ônibus para o campo para "reeducação" em um campo de trabalhos forçados em uma manhã fria, ela se virou para ele e disse: "Você é nossa esperança para uma educação universitária."

Ainda assim, dadas as circunstâncias da família, a faculdade parecia um sonho impossível. Então, uma série improvável de eventos mudou tudo.

Em 1977, a Revolução Cultural terminou e as universidades foram reabertas.

Quando o mesmo professor de ensino médio inspirador organizou uma competição de física, Shen, então com 16 anos, entrou e ficou em primeiro em todos os níveis - escola, distrito, cidade e província. Foi fascinante e aumentou sua autoconfiança, cimentando seu sentimento de que a física era o campo para ele, mas aonde poderia levar?

Shen conseguiu uma vaga na faculdade antes de terminar o ensino médio, mas esperou um ano por conselho de seu pai, e então ingressou no programa de física da Universidade Fudan em Xangai.

E em seu terceiro ano como estudante de física, ele fez um exame de admissão para um programa recém-lançado pelo ganhador do prêmio Nobel Tsung-Dao Lee, que trouxe um número limitado de estudantes chineses aos EUA para estudos avançados em física.

Foi assim que, em março de 1987, Shen se viu em uma sessão de conferência lotada e que durou a noite toda que ficou conhecida como Woodstock da Física, onde quase 2.000 cientistas compartilharam os últimos desenvolvimentos relacionados à descoberta de uma nova classe de quantum materiais conhecidos como supercondutores de alta temperatura. Esses materiais exóticos conduzem eletricidade com perda zero em temperaturas muito mais altas do que qualquer um pensava ser possível e expelem campos magnéticos com tanta força que podem levitar um ímã. A descoberta deles teve implicações revolucionárias para a sociedade, prometendo melhores máquinas de imagens magnéticas para a medicina, transmissão elétrica perfeitamente eficiente para linhas de força, trens maglev e coisas que ainda não imaginamos.

“Pude chegar cedo e conseguir um lugar na sala onde as palestras estavam acontecendo”, lembrou Shen. “Para mim, foi a coisa mais emocionante - uma fronteira completamente nova da ciência de repente se abriu.”

Uma revolução de ferramentas

Em outro golpe de sorte extraordinário, ele estava em uma posição perfeita para saltar para essa nova fronteira, não apenas para sondar os estados quânticos da matéria que fundamentam a supercondutividade, mas para desenvolver ferramentas cada vez mais nítidas para isso.

Como estudante de doutorado na Universidade de Stanford, ele usava feixes de raios-X extremamente brilhantes para investigar materiais relacionados no que hoje é o SLAC National Accelerator Laboratory, subindo a colina do campus principal. Assim que a reunião terminou, ele começou a aplicar a técnica que vinha usando, chamada espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido, ou ARPES, aos novos supercondutores.

Mais de três décadas depois, com muitas descobertas importantes em seu crédito, mas com o quebra-cabeça completo de como esses materiais funcionam ainda sem solução, Shen é o Professor Paul Pigott de Ciências Físicas na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford e professor de ciência de fótons no SLAC. Ele e seus colegas estão dando os toques finais no que pode ser o sistema mais avançado do mundo para sondar supercondutores não convencionais e outras formas exóticas de matéria para ver o que os faz funcionar.

As partes principais do sistema estão a apenas alguns passos da linha de luz de raios-X da Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) da SLAC, onde Shen realizou os primeiros experimentos. Um deles é uma configuração recentemente atualizada, onde os cientistas podem construir com precisão amostras de material supercondutor uma camada atômica por vez, transportá-los através de um tubo e uma câmara de vácuo para a linha de luz SSRL sem expô-los ao ar e fazer medições com muito mais resolução do que jamais foi possível antes. Os materiais que eles constroem também são transportados para o primeiro laser de elétrons livres de raios-X do mundo, a fonte de luz coerente Linac da SLAC, para medições precisas que não seriam possíveis por outros meios.

Colaborações de elétrons

Essas configurações experimentais foram projetadas com um propósito singular em mente: desvendar o comportamento estranhamente colaborativo dos elétrons, que Shen e outros acreditam ser a chave para desvendar os segredos da supercondutividade e outros fenômenos em uma ampla gama de materiais quânticos.

A busca de Shen por respostas para este enigma é movida por sua curiosidade sobre “como esse fenômeno notável que não deveria ter acontecido, aconteceu”, disse ele. “Você poderia argumentar que é um fenômeno quântico macroscópico - a natureza tentando desesperadamente se revelar. Isso só acontece porque esses elétrons trabalham juntos de uma certa maneira. ”

Os primeiros supercondutores, descobertos em 1911, eram metais que se tornavam condutores perfeitos quando resfriados abaixo de 30 kelvins, ou 406 graus Fahrenheit negativos. Demorou cerca de 50 anos para que os teóricos explicassem como isso funcionava: os elétrons interagiam com as vibrações na estrutura atômica do material de uma forma que superou a repulsão natural entre suas cargas negativas e permitiu que eles se emparelharam e viajassem sem esforço, com resistência zero. Além do mais, esses pares de elétrons se sobrepuseram e formaram um condensado, um estado da matéria totalmente diferente, cujo comportamento coletivo só poderia ser explicado pelas regras não intuitivas da mecânica quântica.

Os cientistas pensaram, por várias razões, que isso não poderia ocorrer em temperaturas mais altas. Portanto, a descoberta em 1986 de materiais que superconduzem a temperaturas de até 225 graus Fahrenheit negativos foi um choque. Mais estranho ainda, os materiais iniciais para essa forma de supercondutividade eram isolantes, cuja própria natureza seria capaz de impedir a viagem do elétron.

Em um metal perfeito, Shen explicou, cada um dos elétrons individuais é perfeito no sentido de que pode fluir livremente, criando uma corrente elétrica. Mas esses metais perfeitos com elétrons individuais perfeitos não são supercondutores.

Em contraste, os elétrons em materiais que dão origem à supercondutividade são imperfeitos, no sentido de que não são livres para fluir. Mas, uma vez que decidem cooperar e condensar em um estado supercondutor, não apenas perdem essa resistência, mas também podem expelir campos magnéticos e levitar ímãs.

“Portanto, nesse sentido, a supercondutividade é muito superior”, disse Shen. “O comportamento do sistema transcende o dos indivíduos e isso me fascina. Você e eu somos feitos de hidrogênio, carbono e oxigênio, mas o fato de podermos ter essa conversa não é uma propriedade desses elementos individuais. ”

Embora muitas teorias tenham surgido, os cientistas ainda não sabem o que leva os elétrons a se emparelharem em temperaturas tão altas nesses materiais. A busca tem sido uma longa estrada - já se passaram 33 anos desde aquela noite maluca de Woodstock - mas Shen não se importa. Ele diz a seus alunos que um grande desafio científico é como um quebra-cabeça que você resolve uma peça por vez. Ferramentas melhores estão gradualmente trazendo o quadro completo em foco, diz ele, e já percorremos um longo caminho.

 

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