Quando seu laptop ou smartphone esquenta, é devido à perda de energia na tradução. O mesmo vale para linhas de energia que transmitem eletricidade entre as cidades. De fato, cerca de 10% da energia gerada é perdida na transmissão de eletricidade. Isso ocorre porque os elétrons que carregam carga elétrica o fazem como agentes livres, colidindo e roçando outros elétrons enquanto se movem coletivamente através de cabos de energia e linhas de transmissão. Todo esse empurrão gera atrito e, por fim, calor. 

Mas quando os elétrons se unem, eles podem se elevar acima da briga e deslizar através de um material sem atrito. Esse comportamento “supercondutor” ocorre em uma variedade de materiais, embora em temperaturas ultrafrias. Se esses materiais puderem ser supercondutores mais próximos da temperatura ambiente, eles poderão abrir caminho para dispositivos de perda zero, como laptops e telefones livres de calor e linhas de energia ultraeficientes. Mas primeiro, os cientistas terão que entender como os elétrons se emparelham em primeiro lugar.

Agora, novos instantâneos de partículas emparelhadas em uma nuvem de átomos podem fornecer pistas de como os elétrons se emparelham em um material supercondutor. As fotos foram tiradas por físicos do MIT e são as primeiras imagens que capturam diretamente o emparelhamento de férmions – uma classe importante de partículas que inclui elétrons, bem como prótons, nêutrons e certos tipos de átomos.

Nesse caso, a equipe do MIT trabalhou com férmions na forma de átomos de potássio-40 e em condições que simulam o comportamento dos elétrons em certos materiais supercondutores. Eles desenvolveram uma técnica para visualizar uma nuvem super-resfriada de átomos de potássio-40, o que lhes permitiu observar as partículas se emparelhando, mesmo quando separadas por uma pequena distância. Eles também podiam identificar padrões e comportamentos interessantes, como a forma como os pares formavam tabuleiros de damas, que eram perturbados por solteiros solitários que passavam.

As observações, relatadas hoje na Science , podem servir como um modelo visual de como os elétrons podem se emparelhar em materiais supercondutores. Os resultados também podem ajudar a descrever como os nêutrons se unem para formar um superfluido intensamente denso e agitado dentro das estrelas de nêutrons.

“O emparelhamento de férmions está na base da supercondutividade e de muitos fenômenos da física nuclear”, diz o autor do estudo, Martin Zwierlein, professor de física Thomas A. Frank no MIT. “Mas ninguém tinha visto esse emparelhamento in situ. Então foi de tirar o fôlego finalmente ver essas imagens na tela, fielmente.”

Os coautores do estudo incluem Thomas Hartke, Botond Oreg, Carter Turnbaugh e Ningyuan Jia, todos membros do Departamento de Física do MIT, do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms e do Research Laboratory of Electronics.

Observar diretamente pares de elétrons é uma tarefa impossível. Eles são simplesmente muito pequenos e muito rápidos para serem capturados com as técnicas de imagem existentes. Para entender seu comportamento, físicos como Zwierlein analisaram sistemas análogos de átomos. Tanto os elétrons quanto certos átomos, apesar de sua diferença de tamanho, são semelhantes por serem férmions – partículas que exibem uma propriedade conhecida como “spin de meio inteiro”. Quando os férmions de spin oposto interagem, eles podem se emparelhar, como os elétrons fazem nos supercondutores e como certos átomos fazem em uma nuvem de gás.

O grupo de Zwierlein estuda o comportamento dos átomos de potássio-40, conhecidos férmions, que podem ser preparados em um dos dois estados de spin. Quando um átomo de potássio de um spin interage com um átomo de outro spin, eles podem formar um par, semelhante a elétrons supercondutores. Mas sob condições normais de temperatura ambiente, os átomos interagem em um borrão que é difícil de capturar.

Para obter uma visão decente de seu comportamento, Zwierlein e seus colegas estudam as partículas como um gás muito diluído de cerca de 1.000 átomos, que eles colocam sob condições nanokelvin ultrafrias que reduzem a velocidade dos átomos. Os pesquisadores também contêm o gás dentro de uma rede óptica, ou uma grade de luz laser na qual os átomos podem pular, e que os pesquisadores podem usar como um mapa para identificar as localizações precisas dos átomos.

Em seu novo estudo, a equipe fez aprimoramentos em sua técnica existente para imagens de férmions que lhes permitiram congelar momentaneamente os átomos no lugar e, em seguida, tirar fotos separadamente de átomos de potássio-40 com um giro específico ou outro. Os pesquisadores poderiam então sobrepor uma imagem de um tipo de átomo sobre o outro e ver onde os dois tipos se pareavam e como.

“Foi muito difícil chegar a um ponto em que pudéssemos realmente tirar essas imagens”, diz Zwierlein. “Você pode imaginar a princípio obtendo grandes buracos em sua imagem, seus átomos fugindo, nada está funcionando. Tivemos problemas terrivelmente complicados para resolver no laboratório ao longo dos anos, e os alunos tiveram grande resistência e, finalmente, poder ver essas imagens foi absolutamente emocionante.”

O que a equipe viu foi o comportamento de emparelhamento entre os átomos que foi previsto pelo modelo de Hubbard - uma teoria amplamente aceita que acredita ser a chave para o comportamento dos elétrons em supercondutores de alta temperatura, materiais que exibem supercondutividade em temperaturas relativamente altas (embora ainda muito frias). ) temperaturas. As previsões de como os elétrons se emparelham nesses materiais foram testadas por meio desse modelo, mas nunca observadas diretamente até agora.

A equipe criou e imaginou diferentes nuvens de átomos milhares de vezes e traduziu cada imagem em uma versão digitalizada semelhante a uma grade. Cada grade mostrava a localização dos átomos de ambos os tipos (representados como vermelho versus azul em seu papel). A partir desses mapas, eles puderam ver quadrados na grade com um átomo vermelho ou azul solitário e quadrados onde um átomo vermelho e azul se emparelhavam localmente (representados como branco), bem como quadrados vazios que não continham nem um átomo vermelho ou átomo azul (preto).

Já as imagens individuais mostram muitos pares locais e átomos vermelhos e azuis muito próximos. Ao analisar conjuntos de centenas de imagens, a equipe pôde mostrar que os átomos realmente aparecem em pares, às vezes se ligando em um par compacto dentro de um quadrado e outras vezes formando pares mais soltos, separados por um ou vários espaçamentos de grade. Essa separação física, ou “emparelhamento não local”, foi prevista pelo modelo de Hubbard, mas nunca observada diretamente.

Os pesquisadores também observaram que as coleções de pares pareciam formar um padrão quadriculado mais amplo, e que esse padrão entrava e saía da formação quando um parceiro de um par se aventurava fora de seu quadrado e distorcia momentaneamente o tabuleiro de xadrez de outros pares. Esse fenômeno, conhecido como “polaron”, também foi previsto, mas nunca visto diretamente.

“Nesta sopa dinâmica, as partículas estão constantemente pulando umas sobre as outras, se afastando, mas nunca dançando muito longe umas das outras”, observa Zwierlein.

O comportamento de emparelhamento entre esses átomos também deve ocorrer em elétrons supercondutores, e Zwierlein diz que os novos instantâneos da equipe ajudarão a informar a compreensão dos cientistas sobre supercondutores de alta temperatura e talvez fornecer informações sobre como esses materiais podem ser ajustados para temperaturas mais altas e mais práticas. .

“Este é um novo trabalho empolgante”, diz Immanuel Bloch, professor de física experimental na Universidade Ludwig-Maximilians, em Munique, que não participou do trabalho. “É um belo exemplo de como correlações intrincadas podem ser observadas diretamente nesses experimentos de simulação quântica altamente controlados e estimulará o pensamento sobre padrões de correlações mais complexos que podem ser capturados diretamente no experimento”.