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Físicos detectam pares estranhos de elétrons agindo como um novo estado de matéria

Sob as circunstâncias certas, os elétrons individuais podem formar parcerias que lhes permitem percorrer sem esforço através de materiais especiais chamados supercondutores - permitindo conduzir corrente elétrica sem resistência. Isso por si só é bastante impressionante. Mas agora os físicos encontraram evidências de que essas parcerias quânticas - conhecidas como pares de Cooper - também são capazes de agir como um novo estado da matéria.

Uma colaboração de pesquisadores da China e dos EUA detectou a estranha atividade eletrônica em um experimento desenvolvido para resolver uma questão de longa data sobre se existe algum meio termo entre vagar livre e pares de Cooper.

Tradicionalmente, pensava-se que os pares de Cooper tinham apenas esses dois estados - ou estão planando sem esforço para criar um estado supercondutor ou estão criando um estado isolante ao ficarem presos em um material e não deixar nenhuma corrente passar. Agora, também se descobriu que esses casamentos quânticos têm um estado intermediário - não superconduzindo a corrente, mas também não a bloqueando. Mais ou menos como elétrons individuais normais.

E embora isso pareça uma perda de superpotências, esse estado intermediário é como nada que já vimos antes. De fato, está atraindo atenção como um novo estado da matéria. Para entender isso, temos que voltar um pouco.

Geralmente, os elétrons, como qualquer outra partícula do tipo "férmion", têm sua própria identidade embutida em uma assinatura quântica, o que significa que eles nunca podem ocupar o mesmo espaço. É por isso que dois férmions não podem ocupar o mesmo espaço, enquanto partículas chamadas bósons podem deslizar umas pelas outras como fantasmas. E é isso que causa resistência quando os elétrons viajam através de um material - eles acabam esbarrando um no outro e perdendo energia à medida que viajam.

Mas na década de 1970, um físico americano chamado Leon Cooper descobriu que os elétrons do tipo certo de material condutor podem formar parcerias entre si a temperaturas suficientemente baixas. Eles foram nomeados pares de Cooper, e um resultado notável desse emparelhamento é a perda de uma identidade quântica clara, dando a eles uma natureza de fantasma semelhante aos bósons. Isso os ajuda a deslizar facilmente pela estrutura de átomos que compõem um material, criando um estado supercondutor.

Os supercondutores são valorizados pelos engenheiros por sua eficiência no transporte de energia, perdendo pouco, se é que existe alguma coisa, como calor. Infelizmente, a praticidade dos supercondutores é bastante limitada, exigindo frio extremo ou pressão extrema para funcionar. Um dos principais objetivos da física moderna é determinar exatamente como os pares de Cooper funcionam e como poderemos criá-los sem precisar aplicar pressão ou diminuir a temperatura.

Em 2007, uma pequena equipe de físicos da Universidade Brown, nos EUA, descobriu que os pares de Cooper também tinham um segundo estado - que era possível criar um material que realmente prendia esses pares de elétrons fantasmagóricos em pequenas ilhas supercondutoras, efetivamente congelando-os em seus rastros. Isso significava que os pares de Cooper podiam correr a todo vapor através de um condutor ou permanecer relativamente imóveis em um isolador. No experimento mais recente, os pesquisadores da mesma equipe queriam criar um material que permitisse aos pares de Cooper se moverem em um ritmo tranqüilo, assim como os elétrons isolados, enquanto viajam por qualquer metal à temperatura ambiente.

"Havia evidências de que esse estado metálico surgiria em supercondutores de filmes finos à medida que eram resfriados em direção à temperatura supercondutora, mas se esse estado envolvia ou não pares de Cooper era uma questão em aberto", diz Jim Valles, físico da Universidade Brown. "Desenvolvemos uma técnica que nos permite testar essa pergunta e mostramos que, de fato, os pares de Cooper são responsáveis pelo transporte de carga nesse estado metálico".

A técnica centrou-se em uma pastilha de material semelhante ao usado nas experiências de 2007 em isolamento de pares de Cooper. Uma fina tira de óxido de cobre e bário de ítrio supercondutor, salpicada com matrizes hexagonais de poços de tamanho nano, foi exposta a campos magnéticos enquanto uma corrente passava por ele. De acordo com seus modelos, o campo magnético deve fazer com que o fluxo de elétrons faça voltas pelas cavidades. Para testar se eles estavam correndo sozinhos ou em pares de Cooper, os pesquisadores só precisavam medir sua frequência.

"Nesse caso, descobrimos que a frequência é consistente com a existência de dois elétrons ao mesmo tempo, em vez de apenas um. Assim, podemos concluir que os portadores de carga nesse estado são pares de Cooper e não elétrons únicos", diz Valles. Isso significa que não é nada como outros estados metálicos conhecidos em que os elétrons correm individualmente uma maratona ou correm em pares. Este terceiro estado mostra que há graus de controle para elétrons do tipo bóson.

Os físicos ainda precisam encontrar uma explicação para o comportamento estranho, mas, como esse supercondutor em particular pode operar a -181 Celsius (-294 Fahrenheit), eles não devem ter problemas para percorrer mais experimentos. Além dos aspectos interessantes de encontrar um novo estado para os metais, poderia ser a base de novos tipos de tecnologia futura.

"O problema dos bósons é que eles tendem a estar mais em estado de onda do que os elétrons, por isso falamos sobre eles terem uma fase e criar interferências da mesma maneira que a luz", diz Valles. "Portanto, pode haver novas modalidades de movimentação de carga nos dispositivos, brincando com a interferência entre bósons".