Experiência de física revela formação de um novo estado da matéria – Quebra a simetria de reversão do tempo

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Experiência de física revela formação de um novo estado da matéria - Quebra a simetria de reversão do tempo
Experiência de física revela formação de um novo estado da matéria - Quebra a simetria de reversão do tempo
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O princípio central da supercondutividade é que os elétrons formam pares. Mas eles também podem se condensar em quartetos? Descobertas recentes sugeriram que sim, e um físico do KTH Royal Institute of Technology publicou hoje a primeira evidência experimental desse efeito de quadruplicação e do mecanismo pelo qual esse estado da matéria ocorre.

Reportando na Nature Physics, o professor Egor Babaev e colaboradores apresentaram evidências da quadruplicação do férmion em uma série de medições experimentais no material à base de ferro, Ba1-xKxFe2As2. Os resultados seguem quase 20 anos depois que Babaev previu pela primeira vez esse tipo de fenômeno e oito anos depois que ele publicou um artigo prevendo que isso poderia ocorrer no material.

O emparelhamento de elétrons permite o estado quântico de supercondutividade, um estado de condutividade de resistência zero que é usado em scanners de ressonância magnética e computação quântica . Ocorre dentro de um material como resultado da ligação de dois elétrons, em vez de se repelirem, como fariam no vácuo. O fenômeno foi descrito pela primeira vez em uma teoria por Leon Cooper, John Bardeen e John Schrieffer, cujo trabalho recebeu o Prêmio Nobel em 1972.

O material supercondutor à base de ferro, Ba1 − xKxFe2As2, é montado para medições experimentais. Crédito: Vadim Grinenko, Federico Caglieris
O material supercondutor à base de ferro, Ba1 − xKxFe2As2, é montado para medições experimentais. Crédito: Vadim Grinenko, Federico Caglieris

Os chamados pares de Cooper são basicamente “opostos que se atraem”. Normalmente dois elétrons, que são partículas subatômicas com carga negativa, se repelem fortemente. Mas em baixas temperaturas em um cristal eles se tornam frouxamente ligados aos pares, dando origem a uma ordem robusta de longo alcance. As correntes de pares de elétrons não mais se espalham por defeitos e obstáculos e um condutor pode perder toda a resistência elétrica, tornando-se um novo estado da matéria: um supercondutor.

Somente nos últimos anos a idéia teórica de condensados ​​de quatro férmions tornou-se amplamente aceita.

Para que ocorra um estado de quadruplicação de férmions, deve haver algo que impeça a condensação de pares e seu fluxo sem resistência, enquanto permite a condensação de compostos de quatro elétrons, Babaev diz.

A teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer não permitia tal comportamento, então quando o colaborador experimental de Babaev na Technische Universtät Dresden, Vadim Grinenko, encontrou em 2018 os primeiros sinais de um férmion quadruplicado condensado, desafiou anos de acordo científico prevalecente.

O que se seguiu foram três anos de experimentação e investigação em laboratórios em várias instituições, a fim de validar a descoberta.

Babaev diz que a chave entre as observações feitas é que os condensados ​​quádruplos fermiônicos quebram espontaneamente a simetria de reversão do tempo. Na física, a simetria de reversão do tempo é uma operação matemática de substituir a expressão do tempo pelo seu negativo em fórmulas ou equações, de modo que descrevam um evento em que o tempo corre para trás ou todos os movimentos são invertidos.

Se invertermos a direção do tempo, as leis fundamentais da física ainda se mantêm. Isso também vale para supercondutores típicos: se a flecha do tempo for invertida, um supercondutor típico ainda estaria no mesmo estado supercondutor.

“No entanto, no caso de um condensado de quatro férmions que relatamos, a reversão do tempo o coloca em um estado diferente”, diz ele.

“Provavelmente serão necessários muitos anos de pesquisa para entender totalmente esse estado”, diz ele. “Os experimentos abrem uma série de novas questões, revelando uma série de outras propriedades incomuns associadas à sua reação a gradientes térmicos, campos magnéticos e ultrassom que ainda precisam ser melhor compreendidos”.

Referência: “Estado com simetria de reversão de tempo espontaneamente quebrada acima da transição de fase supercondutora” por Vadim Grinenko, Daniel Weston, Federico Caglieris, Christoph Wuttke, Christian Hess, Tino Gottschall, Ilaria Maccari, Denis Gorbunov, Sergei Zherlitsyn, Jochen Wosnitza, Andreas Rydhitza , Kunihiro Kihou, Chul-Ho Lee, Rajib Sarkar, Shanu Dengre, Julien Garaud, Aliaksei Charnukha, Ruben Hühne, Kornelius Nielsch, Bernd Büchner, Hans-Henning Klauss e Egor Babaev, 18 de outubro de 2021, Nature Physics.

DOI: 10.1038 / s41567-021-01350-9

Contribuíram para a pesquisa cientistas das seguintes instituições: Instituto de Física do Estado Sólido e dos Materiais, TU Dresden, Alemanha; Instituto Leibniz para Pesquisa de Materiais e Estado Sólido, Dresden; Stockhom University; Bergische Universtät em Wuppertal, Alemanha; Laboratório de Alto Campo Magnético de Dresden (HLD-EMFL); Cluster de Excelência Wurzburg-Dresden ct.qmat, Alemanha; Helmholtz-Zentrum, Alemanha; Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST), Japão; Institut Denis Poisson, França.

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