Quebras de simetria e supercondutividade

[Traduzido de: Asymmetric Electron Behavior Discovered in High-temperature Superconductors ]

Original em inglês por:

Bobbie
Mixon,
Holly
Martin

A descoberta pode levar eventualmente à redução dos custos da energia elétrica

Graphic simulation of electron cloud in layer of copper oxide in a cuprate superconductor.

Super-condutores à temperatura ambiente ficam mais perto da realidade e podem levar a redes de distribuição de energia elétrica mais econômicas.
Crédito e imagem ampliada

31 de agosto de 2010

Os cientistas da Universidade Cornell, em conjunto com uma equipe internacional de pesquisadores, descobriram recentemente que os elétrons em um material super-condutor, óxido de cobre, assumem espontaneamente uma orientação de spin.

Esta descoberta pode conduzir à longamente almejada meta de conduzir eletricidade à temperatura ambiente sem perdas, abrindo o caminho para seu emprego em larga escala em uma rede de distribuição de energia elétrica econômica.

Os super-condutores são materiais que perdem toda a resistência elétrica quando resfriados abaixo de uma certa temperatura. Os primeiros super-condutores descobertos pelos cientistas, tinham que ser resfriados a uma temperatura próxima do zero absoluto (cerca de -273º C) para que transmitissem eletricidade sem qualquer perda de potência.

Porém a necessidade de resfriar tanto os materiais, antes que eles pudessem se tornar super-condutores, tornava impraticável usá-los em tecnologias, há muito prometidas, tais como computadores ultra-rápidos, meios de transporte de alta velocidade e redes de energia elétrica sem perdas.

Em meados dos anos 1980, foi descoberta uma nova classe de materiais super-condutores em “alta temperatura”, bem acima do zero absoluto, embora ainda bem abaixo da temperatura ambiente.

Entre esses materiais, existe um grupo chamado cupratos, que se tornam super-condutores em temperaturas tão “altas” como -123ºC. O cristal de óxido de cobre usado pelos cientistas da Cornell, é um cuprato super-condutor.

Normalmente, os átomos de oxigênio e cobre deste material se agrupam em unidades simétricas e os cientistas esperavam que os elétrons em cada unidade se comportassem de modo também simétrico. Isso significa que cada elétron tenha um spin aleatoriamente escolhido “acima” ou “abaixo”. Mas quando cada elétron individual assume a mesma direção, isso constitui uma quebra de simetria e é sinal de que aconteceu uma mudança significativa ocorreu no material.

Exemplos dessas mudanças, também chamadas de transição de fase, incluem a água líquida se congelar em gelo ou fervendo em vapor. Um material que passa de um estado não condutor para um estado super-condutor é um outro tipo de transição de fase.

“Pense no ímã de uma porta de uma geladeira”, explica Eun-Ah Kim, professor assistente de física em Cornell. “Esse tipo de ímã funciona porque todos os spins dos elétrons apontam em uma mesma direção, em lugar de fazê-lo aleatoriamente. Uma “escolha” espontânea dessa natureza é chamada de quebra de simetria”.

No caso da equipe que trabalhou com o material de óxido de cobre, a quebra de simetria apareceu nas imagens de cupratos feitas por um microscópio de escaneamento por tunelamento operado pelos pesquisadores no Laboratório Nacional Brookhaven em Nova York.

Kim diz que a descoberta apresenta “uma oportunidade para todo um novo estágio de pesquisas. Nós obtivemos um mapa dessa quebra de simetria; agora podemos estudar experimentalmente como ela afeta a super-condutividade”. A descoberta aponta ainda para um modelo teórico que pode explicar o mecanismo de super-condutividade de alta temperatura.

Chegar ao fundo dessa quebra de simetria nos cupratos pode eventualmente auxiliar os cientistas a criarem novos materiais que exibam super-condutividade a temperaturas cada vez mais altas.

“Resolver o mistério de como alguns materiais pode exibir super-condutividade em algo próximo da temperatura ambiente, é importante”, diz Kim. “Mas também existe um elemento de genuína curiosidade. Descobrir os segredos de um comportamento coletivo de um número astronômico de elétrons, é como descobrir uma nova galáxia”.

Para esta pesquisa, contribuíram cientistas da Universidade Cornell; Laboratório Nacional Brookhaven; Universidade Binghamton,
Binghamton, NY; Universidade de Tokyo; Laboratório de Materiais Magnéticos,
Saitama, Japão; Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coréia; Instituo Avançado de Ciência e Tecnologia Industrial, Ibaraki, Japão; e Universidade de St. Andrews, Fife, Escócia.

O relatório da pesquisa foi publicado na edição de 15 de julho da Nature.

A pesquisa teve o apoio da Divisão de Pesquisa de Materiais da NSF.


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