No ano passado, dois experimentos distintos, realizados com dois materiais diferentes, capturaram o mesmo cenário intrigante: a coexistência de supercondutividade e magnetismo. Os cientistas presumiam que esses dois estados quânticos eram mutuamente exclusivos; a presença de um deveria destruir inerentemente o outro.

Agora, físicos teóricos do MIT têm uma explicação para como essa dualidade de Jekyll e Hyde poderia surgir. Em um artigo publicado hoje nos Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS) , a equipe propõe que, sob certas condições, os elétrons de um material magnético poderiam se fragmentar em frações de si mesmos para formar quasipartículas conhecidas como "ânions". Em certas frações, as quasipartículas deveriam fluir juntas sem atrito, de forma semelhante a como os elétrons comuns se emparelham para fluir em supercondutores convencionais.

Se o cenário da equipe estiver correto, isso introduziria uma forma inteiramente nova de supercondutividade — uma que persiste na presença de magnetismo e envolve uma supercorrente de ânions exóticos em vez de elétrons comuns.

“São necessários muitos outros experimentos antes que se possa declarar vitória”, afirma o autor principal do estudo, Senthil Todadri, professor de Física William e Emma Rogers no MIT. “Mas essa teoria é muito promissora e mostra que pode haver novas maneiras pelas quais o fenômeno da supercondutividade pode surgir.”

Além disso, se a ideia de ânions supercondutores puder ser confirmada e controlada em outros materiais, isso poderá fornecer uma nova maneira de projetar qubits estáveis — “bits” em escala atômica que interagem mecanicamente de forma quântica para processar informações e realizar cálculos complexos com muito mais eficiência do que os bits de computador convencionais.

“Essas ideias teóricas, se se confirmarem, podem tornar esse sonho um pequeno passo mais perto de ser realizado”, diz Todadri.

O estudo tem como coautor Zhengyan Darius Shi, estudante de pós-graduação em física do MIT.

A supercondutividade e o magnetismo são estados macroscópicos que surgem do comportamento dos elétrons. Um material é um ímã quando os elétrons em sua estrutura atômica têm aproximadamente o mesmo spin, ou movimento orbital, criando uma atração coletiva na forma de um campo magnético dentro do material como um todo. Um material é um supercondutor quando os elétrons que o atravessam, na forma de voltagem, podem se acoplar em "pares de Cooper". Nesse estado de acoplamento, os elétrons podem deslizar pelo material sem atrito, em vez de colidirem aleatoriamente contra sua estrutura atômica.

Durante décadas, acreditou-se que a supercondutividade e o magnetismo não deveriam coexistir; a supercondutividade é um estado delicado e qualquer campo magnético pode facilmente romper as ligações entre os pares de Cooper. Mas, no início deste ano, dois experimentos distintos provaram o contrário. No  primeiro experimento , Long Ju, do MIT, e seus colegas descobriram supercondutividade e magnetismo no grafeno romboédrico — um material sintetizado a partir de quatro ou cinco camadas de grafeno.

Pouco depois, uma segunda equipe relatou estados duais semelhantes no cristal semicondutor ditelureto de molibdênio (MoTe2 ) . Curiosamente, as condições em que o MoTe2 se torna supercondutor coincidem com as condições em que o material exibe um exótico "efeito Hall anômalo quântico fracionário", ou FQAH — um fenômeno no qual qualquer elétron que passe pelo material se divide em frações de si mesmo. Essas quase-partículas fracionárias são conhecidas como "ânions".

Os ânions são completamente diferentes dos dois principais tipos de partículas que compõem o universo: bósons e férmions. Os bósons são partículas extrovertidas, pois preferem estar juntas e viajar em grupos. O fóton é o exemplo clássico de um bóson. Em contraste, os férmions preferem ficar isolados e se repelem se estiverem muito próximos. Elétrons, prótons e nêutrons são exemplos de férmions. Juntos, bósons e férmions formam os dois principais reinos de partículas que compõem a matéria no universo tridimensional.

Em contraste, os ânions existem apenas no espaço bidimensional. Esse terceiro tipo de partícula foi previsto pela primeira vez na década de 1980, e seu nome foi cunhado por Frank Wilczek, do MIT, em tom de brincadeira, fazendo alusão à ideia de que, em termos do comportamento da partícula, “tudo é possível”.

Poucos anos depois da previsão inicial dos ânions, físicos como Robert Laughlin PhD '79, Wilczek e outros também teorizaram que, na presença de magnetismo, as quase-partículas deveriam ser capazes de se tornarem supercondutoras.

“As pessoas sabiam que o magnetismo geralmente era necessário para que os ânions se tornassem supercondutores, e procuraram por magnetismo em muitos materiais supercondutores”, diz Todadri. “Mas a supercondutividade e o magnetismo normalmente não ocorrem juntos. Então, descartaram a ideia.”

Mas com a recente descoberta de que os dois estados podem, na verdade, coexistir pacificamente em certos materiais, e no MoTe2 em particular, Todadri se perguntou: Será que a antiga teoria, e os ânions supercondutores, poderiam estar em jogo?

Todadri e Shi propuseram-se a responder a essa questão teoricamente, com base em seus trabalhos recentes. Em seu novo estudo, a equipe elaborou as condições sob as quais ânions supercondutores poderiam surgir em um material bidimensional. Para isso, aplicaram equações da teoria quântica de campos, que descreve como interações em escala quântica, como no nível de ânions individuais, podem dar origem a estados quânticos macroscópicos, como a supercondutividade. O exercício não foi intuitivo, visto que se sabe que os ânions resistem fortemente a se moverem, quanto mais a se tornarem supercondutores, quando combinados.

“Quando você tem ânions no sistema, o que acontece é que cada ânion pode tentar se mover, mas é frustrado pela presença de outros ânions”, explica Todadri. “Essa frustração ocorre mesmo que os ânions estejam extremamente distantes uns dos outros. E esse é um efeito puramente quântico.”

Ainda assim, a equipe procurou condições em que os ânions pudessem se libertar dessa frustração e se mover como um fluido macroscópico. Os ânions são formados quando os elétrons se fragmentam em frações de si mesmos sob certas condições em materiais bidimensionais com espessura de um único átomo, como o MoTe2. Cientistas já haviam observado que o MoTe2 exibe o FQAH, no qual os elétrons se fragmentam, sem a necessidade de um campo magnético externo.

Todadri e Shi tomaram o MoTe2 como ponto de partida para seu trabalho teórico. Eles modelaram as condições em que o fenômeno FQAH emergiu no MoTe2 e, em seguida, analisaram como os elétrons se fragmentariam e que tipos de ânions seriam produzidos, à medida que aumentavam teoricamente o número de elétrons no material.

Eles observaram que, dependendo da densidade eletrônica do material, dois tipos de ânions podem se formar: ânions com 1/3 ou 2/3 da carga de um elétron. Em seguida, aplicaram equações da teoria quântica de campos para calcular como cada um dos dois tipos de ânions interagiria e descobriram que, quando os ânions são predominantemente do tipo 1/3, eles ficam previsivelmente frustrados e seu movimento leva à condução metálica comum. Mas quando os ânions são predominantemente do tipo 2/3, essa fração específica incentiva os ânions, normalmente inertes, a se moverem coletivamente para formar um supercondutor, de forma semelhante a como os elétrons podem se emparelhar e fluir em supercondutores convencionais.

O trabalho deles revelou que ânions supercondutores podem surgir em certas densidades eletrônicas. Além disso, descobriram que, quando os ânions supercondutores surgem pela primeira vez, o fazem em um padrão totalmente novo de supercorrentes giratórias que aparecem espontaneamente em locais aleatórios por todo o material. Esse comportamento é distinto dos supercondutores convencionais e representa um estado exótico que os experimentalistas podem buscar como forma de confirmar a teoria da equipe. Se a teoria estiver correta, ela introduziria uma nova forma de supercondutividade, por meio das interações quânticas de ânions.

“Se nossa explicação baseada em ânions for o que está acontecendo no MoTe2 , isso abre caminho para o estudo de um novo tipo de matéria quântica que pode ser chamada de 'matéria quântica aniônica'”, diz Todadri. “Este será um novo capítulo na física quântica.”

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela Fundação Nacional de Ciência (National Science Foundation).