Mistérios do bizarro ‘pseudo-gap’ na física quântica finalmente desvendados

Ao aplicar habilmente uma técnica computacional, os cientistas fizeram um avanço na compreensão do “pseudogap”, um quebra-cabeça de longa data na física quântica com laços estreitos com a supercondutividade. A descoberta, apresentada em Ciênciaajudará os cientistas em sua busca pela supercondutividade em temperatura ambiente, um santo graal da física da matéria condensada que permitiria transmissão de energia sem perdas, máquinas de ressonância magnética mais rápidas e trens de levitação super-rápidos.

Certos materiais envolvendo cobre e oxigênio exibem supercondutividade (onde a eletricidade flui sem resistência) em temperaturas relativamente altas — mas ainda frias — abaixo de 140 graus Celsius negativos. Em temperaturas mais altas, esses materiais caem no que é chamado de estado pseudogap, onde às vezes agem como um metal normal e às vezes agem mais como semicondutores.

Cientistas descobriram que o pseudogap aparece em todos os chamados materiais supercondutores de alta temperatura. Mas eles não entenderam por que ou como ele aparece, ou se ele permanece quando a temperatura cai para zero absoluto (menos 273,15 graus Celsius), o limite inferior inalcançável de temperatura no qual o movimento molecular para.

Ao entender melhor como o pseudogap aparece e como ele se relaciona com as propriedades teóricas dos materiais supercondutores no zero absoluto, os cientistas estão obtendo uma imagem mais clara desses materiais, diz o coautor do estudo Antoine Georges, diretor do Centro de Física Quântica Computacional do Flatiron Institute.

“É como se você tivesse uma paisagem e muita neblina, e antes você só conseguia ver alguns vales e alguns picos”, ele diz. “Agora a neblina está se dissipando, e podemos ver mais da paisagem completa. É realmente um momento muito emocionante.”

Físicos quânticos podem estudar estados como o pseudogap com métodos computacionais que modelam o comportamento de elétrons em um material. Mas essas computações são incrivelmente difíceis por causa do emaranhamento quântico, no qual os elétrons se tornam conectados e não podem ser tratados individualmente mesmo depois de se separarem. Para mais do que algumas dezenas de elétrons, calcular diretamente o comportamento de todas as partículas é impossível.

“Calcular as propriedades desses materiais é extraordinariamente desafiador — você não pode simulá-los exatamente nem no computador mais poderoso que você possa imaginar”, diz Georges. “Você tem que recorrer a algoritmos inteligentes e modelos simplificados.”

Um modelo famoso é chamado de modelo de Hubbard: pesquisadores tratam o material como um tabuleiro de xadrez no qual elétrons podem saltar entre espaços adjacentes como uma torre. Elétrons podem ter um spin para cima ou para baixo. Dois elétrons só podem compartilhar um espaço no tabuleiro se tiverem spins opostos e pagarem um custo de energia. Com esse modelo, que se originou na década de 1960, cientistas podem implementar diferentes métodos computacionais, cada um com pontos fortes e fracos em diferentes situações.

“Há uma classe de métodos que funcionam muito bem em temperatura zero, e há outra classe de métodos que funcionam muito bem em temperaturas finitas”, diz Fedor Šimkovic IV, autor principal do novo estudo, que foi pós-doutorado com o coautor Michel Ferrero na École Polytechnique e Collège de France em Paris e agora é líder de equipe na IQM Quantum Computers em Munique, Alemanha. “Esses dois mundos geralmente não se falam, porque entre eles, em temperaturas muito baixas, mas finitas, na verdade está o regime computacionalmente mais difícil.”

Esse estado intermediário é exatamente onde o pseudogap vive. Para abordar esse regime, a equipe aplicou um algoritmo chamado Monte Carlo diagramático, que foi descrito pela primeira vez em 1998; ele foi aprimorado em 2017 por Riccardo Rossi, um coautor do novo artigo. Ao contrário do Monte Carlo quântico, um algoritmo frutífero e bem conhecido que usa aleatoriedade para examinar pequenas áreas do modelo de cada vez e cola esses exames para chegar a conclusões, o Monte Carlo diagramático considera interações em todo o tabuleiro de xadrez de uma só vez.

“A abordagem do Monte Carlo diagramático é muito diferente”, diz Rossi, pesquisador do CNRS e da Universidade Sorbonne. “Podemos simular, em princípio, um número infinito de partículas.”

Armados com o diagrama de Monte Carlo, a equipe descobriu o que acontece com materiais pseudogap à medida que esfriam em direção ao zero absoluto. A partir de pesquisas anteriores, eles sabiam que os materiais poderiam começar a superconduzir, ou poderiam desenvolver “listras”, nas quais os elétrons se organizam em fileiras de spins correspondentes, separadas por fileiras de quadrados vazios.

O estado em que o modelo de Hubbard entra no zero absoluto depende do número de elétrons. Quando o modelo inclui exatamente tantos elétrons quanto quadrados de um tabuleiro de xadrez, o tabuleiro inteiro se torna um padrão de tabuleiro de xadrez estável de giros para cima e para baixo, tornando o material um isolante elétrico (profundamente desinteressante para a pesquisa supercondutora, porque isolantes são o oposto de condutores). Adicionar ou retirar elétrons pode causar supercondutividade e/ou listras.

Em temperaturas mais altas, nas quais os elétrons ainda se movem, os pesquisadores sabiam que a retirada de elétrons causaria o pseudogap, mas não sabiam o que aconteceria quando o material esfriasse.

“Foi debatido se o pseudogap sempre evolui para o estado de faixa”, diz Georges. “Nosso artigo responde a essa questão proeminente no campo e fecha essa janela.” O estudo revelou que, à medida que os materiais no pseudogap esfriam em direção ao zero absoluto, eles de fato desenvolvem faixas. Curiosamente, Georges acrescenta, ajustar o modelo de Hubbard para permitir movimentos diagonais, como os de um bispo, faz com que o pseudogap evolua para um supercondutor à medida que esfria.

O artigo também respondeu à pergunta sobre o que causa o pseudogap, no qual o arranjo de elétrons não é mais uniforme como era no zero absoluto, mas inclui algumas áreas listradas, alguns quadrados com dois elétrons, alguns buracos e alguns remendos de padrões de tabuleiro de xadrez. Os pesquisadores descobriram que, assim que esses remendos de tabuleiro de xadrez apareciam nos arranjos de elétrons, os materiais caíam no pseudogap. Essas duas grandes respostas sobre o pseudogap ajudam a desvendar ainda mais o modelo de Hubbard.

“Em um nível mais amplo, tudo isso é parte de um esforço coletivo em toda a comunidade científica de combinar abordagens computacionais para quebrar essas nozes difíceis”, diz Georges. “Estamos vivendo tempos em que finalmente esses problemas estão sendo esclarecidos.”

Esses resultados também beneficiarão outras aplicações além de cálculos numéricos, incluindo simulação quântica de gás, um campo de 20 anos na intersecção da óptica quântica e da física da matéria condensada. Nesses experimentos, átomos são resfriados a temperaturas ultrafrias e então presos por lasers em uma grade semelhante ao modelo de Hubbard. Com novos desenvolvimentos em óptica quântica, os pesquisadores agora podem reduzir essas temperaturas quase até o ponto em que o pseudogap se forma, unindo teoria e experimento.

“Nosso artigo tem uma relação direta com esses simuladores de gás quântico ultrafrio”, diz Georges. “Esses simuladores quânticos estão agora prestes a conseguir ver esse fenômeno de pseudogap, então espero alguns desenvolvimentos realmente interessantes no próximo ano ou dois.”