Spins dos electrões explicam parte do enigma da supercondutividade

Numa das extremidades de uma tira de película fina, os electrões emparelharam-se e fluíram sem resistência. Na outra, nunca o fizeram. Dentro de um íman de alta potência no Laboratório Europeu de Campos Magnéticos, nos Países Baixos, a tira reunia essa diferença num único material, e é por isso que uma equipa liderada pela Universidade de Bristol pôde testar uma ideia sobre a supercondutividade de alta temperatura em condições idênticas.

Os investigadores construíram a amostra a partir de óxido de cobre de lantânio e cério, depositado sobre uma camada de base, átomo a átomo. Ao longo da tira, substituíram gradualmente o lantânio por cério. Essa substituição acrescentou electrões de condução extra e produziu um gradiente suave nas temperaturas críticas de transição, deslocando o ponto em que a supercondutividade se instala desde o valor mais alto até zero numa mesma amostra. A litografia gravou depois contactos elétricos ao longo da película, de modo que cada área apresentava uma temperatura crítica diferente, enquanto a desordem do material se mantinha igual. Campos magnéticos intensos suprimiram o estado supercondutor, e a equipa registou a forma como a resistência variava com a temperatura, a intensidade do campo e o ponto crítico.

Os dados de resistência revelam a principal fonte de atrito elétrico: electrões que se dispersam diretamente em spins eletrónicos flutuantes. A intensidade dessa interação correspondeu de perto à temperatura crítica de transição ao longo da tira, o que levou a equipa a concluir que as flutuações de spin provocam a supercondutividade neste material. Nos supercondutores convencionais, os electrões emparelham-se através de vibrações lentas dos iões na rede cristalina. Os óxidos de cobre precisam de interações muito mais rápidas, e os spins dos electrões fornecem-nas. Nigel Hussey, professor de Física na Universidade de Bristol e coautor principal, classificou isto como «a prova definitiva» de que parte da equação está resolvida.

A equipa é explícita: o resultado cobre apenas uma metade do problema. Os óxidos de cobre podem tornar-se supercondutores de duas formas: acrescentando electrões, como os investigadores fizeram com o cério, ou retirando-os, o que deixa espaços vazios chamados lacunas. As temperaturas de transição mais elevadas ocorrem apenas em materiais dopados com lacunas. Quando a equipa comparou os seus dados com estudos anteriores, em campos elevados, de amostras dopadas com lacunas, verificou que as interações de spin, por si só, não explicavam o seu melhor desempenho. Os investigadores concluem que, desse lado, um segundo fator ainda desconhecido tem de atuar em paralelo com as flutuações de spin. Como Hussey resumiu: «a tarefa agora é ir encontrar o segundo».

Por agora, a mudança interessa sobretudo aos teóricos, que ganham uma peça medida de um mecanismo que tinham de modelar sem ela. Os materiais de resistência nula já servem para construir os ímanes potentes usados nas ressonâncias magnéticas, os cabos elétricos eficientes e os equipamentos de medição ultrassensíveis, e a equipa considera que um mecanismo completo é crucial para as tecnologias que dependem da resistência nula. O estudo é uma medição laboratorial numa única película artificial, e não avança qualquer data para aplicações. O seu valor está em estreitar a procura do ingrediente que permitiria aos engenheiros conceber estes materiais em vez de os descobrir.