Cientistas brasileiros descobrem que os fótons podem se emparelhar como elétrons em supercondução

Infelizmente, estamos vivendo um período de crise no governo, onde a corrupção impera - agora de forma explícita - e o único interesse dos nossos políticos parece ser o escape de acusações ligadas à atos ilegais. Basta olharmos nosso atual Presidente, cercado por uma lama de denúncias, para entendermos a trágica situação.

E nesse cenário pintado por políticos inescrupulosos e um sistema decadente de governo em todas as instâncias de poderes, nossa Ciência está sofrendo seu mais profundo descaso já testemunhando, com diversas instituições científicas não possuindo recursos suficientes para pagar sequer contas básicas de luz e água, e mais um sem número de projetos de pesquisa impedidos de dar prosseguimento. Tudo isso porque, segundo o nosso governo, 'Ciência' não é prioridade.

Mas mesmo sob tal descaso, nossos cientistas continuam lutando por mais conhecimento e avanço para o nosso país. Nesse sentido, físicos da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), apoiados no trabalho do pesquisador Ado Jorio na Universidade Federal de Minhas Gerais (UFMG), mostraram, em um intrigante experimento, que o mesmo comportamento que baseia uma supercondutividade eletrônica também ocorre em partículas de luz (fótons)!

"Este é realmente um trabalho muito excitante", afirmou Nick Vamivakas, um físico quântico na Universidade de Rochester, New York, e que não estava envolvido no estudo. "É uma linda conexão entre o espalhamento da luz, física de matéria-condensada e a óptica quântica."

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SUPERCONDUTIVIDADE E OS PARES DE COOPER

Há mais de 100 anos, no ano de 1911, a supercondutividade foi descoberta no metal mercúrio (Hg). Nas décadas seguintes, outros materiais supercondutores, ligas e compostos foram encontrados. O primeiro supercondutor orgânico, quasi-on-dimensional (TMTSF)2PF6, foi sintetizado em 1979. Em 1986, os assim chamados HTSC (Supercondutores à Alta Temperatura) foram encontrados em temperaturas de transição acima de 138K (135,15°C negativos). Desde então outros avanços e materiais foram conquistados para o campo, revolucionando partes da medicina, setor de transportes e a ciência em geral, ao criar condições para o desenvolvimento de poderosos magnetos supercondutores e auxiliando o desenvolvimento de projetos para aceleradores de partículas, turbinas de vento e trens de levitação magnética.

A supercondutividade é um fenômeno no qual elétrons podem se movimentar em certos materiais com zero resistência e expulsão de fluxo magnético nulo (Efeito Meissner). Pelo quadro acima fica claro que os materiais, em sua grande parte, necessitam de baíxissimas temperaturas para permitirem um comportamento supercondutor dos seus elétrons de livre movimentação, muitas vezes beirando o Zero Absoluto (0K). Nesse ponto, ainda precisamos ultrapassar essas limitações para permitir o uso desses materiais em tecnologias inovadoras para o cotidiano das pessoas.

O mecanismo base para a supercondução convencional - onde excetua-se a supercondutividade em materiais orgânicos, por exemplo - é aquela explicada pela Teoria BCS (Barden, Cooper e Schrieffer, em homenagem aos cientistas responsáveis por desenvolvê-la), na qual os elétrons em supercondução são emparelhados em uma rede de momento e estado de spin zeros (pares de Cooper) através de fracas interações dos eletróns em condução com os modos de grade (conhecidos como fónons, onde a movimentação elementar vibracional em um arranjo de átomos ou moléculas oscila uniformemente em uma única frequência) dos íons formadores do sólido metálico. O momento orbital angular do par formado pode ter um valor de 0"("s-wave"), 1"("p-wave"), 2"("d-wave"), e assim por diante. Para maximizar essa atração, os pares de Cooper na Teoria BCS aparecem no mais simples canal s-wave.

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DESCOBERTA BRASILEIRA

Com o fantástico novo achado dos pesquisadores brasileiros, os físicos estão agora encucados com o alcance de similaridade da supercondutividade convencional afetando os fótons. E o tal comportamento de similaridade observado recai justamente na formação de 'Pares de Cooper'

Nesse sentido, os pesquisadores brasileiros mostraram fortes evidências de que os fótons de luz também formam pares similares. O processo ocorre à temperatura ambiente, quando a luz passa através de um espectro de líquidos transparentes, incluindo água, apesar de ser difícil de ser observado.

"Não apenas a formação desses pares é possível, mas está presente em todos os lugares", afirma André Saraiva, um físico teórico na UFRJ e co-autor do estudo demonstrando a observação desses pares e publicado na Physical Review Letters.

Trabalhos anteriores de Ado Jorio, da UFMG - aliás, um dos cientistas mais influentes do mundo, segundo agência Thomson Reuters - , investigavam como a luz se dispersa dentro de materiais. Nesse processo, fótons podem perder energia para os átomos no material, os quais vibram em resposta. Se um segundo fóton imediatamente absorve esse pacote vibracional de energia, ambas as partículas de luz se tornam indiretamente ligadas, com uma ganhando a energia que a outra perdeu. E esse conceito disparou uma ideia na física Belita Koller, da UFRJ.

Belita notou a similaridade entre este processo (no qual vibrações causadas por um fóton afetam outro) e a formação de Pares de Cooper na supercondutividade, quando distorções em grades atômicas - causadas por elétrons em alta velocidade - permitem que a partícula atraia um parceiro no seu despertar energético.

Em ambos os casos os pares se formam como o resultado de movimentação nos átomos ao redor deles. Em supercondutores convencionais, no entanto, as vibrações são de um tipo específico permitido pela mecânica quântica, conhecido como fônons virtuais. Belita e seu time, então, ficaram especulando se isso poderia ser verdade para os fótons também.

Para começar, o time mostrou matematicamente que se fótons também interagem via fônons virtuais, o comportamento observado para eles seriam exatamente iguais daqueles vistos nos pares de Cooper que surgem na supercondutividade eletrônica. O próximo passo foi os pesquisadores tentando encontrar tais pares de fótons em pulsos de laser (feixe de fótons) à temperatura ambiente atravessando a água e outros sete líquidos transparentes. Para isso, foi usado detectores para examinar os fótons emergentes que poderiam estar formando pares e chegando simultaneamente - onde um fóton se deslocaria para o vermelho (menor energia, ou seja, perdendo energia) e o outro se deslocaria para o azul (maior energia, ou seja, ganhando energia).

Se os pares sendo detectados simultaneamente fossem ciados por fônons virtuais, ao contrário de um processo tradicional de espalhamento, o deslocamento de energia entre os fótons seria muito pequeno para vir de vibrações classicamente permitidas (fora de mecanismos quânticos). Com isso em mente, o time aplicou filtros que permitiam apenas essa pequeno deslocamento energético passar, e, então, compararam os resultados com o número que eles viram quando ambos os tipos de deslocamento energético eram permitidos atravessar.

O resultado foi que em ambos os casos a taxa de pares de fótons permaneceu a mesma, sugerindo que os pares tinham que ser necessariamente criados pelo processo virtual. O sinal obtido foi fraco, permitindo a observação de apenas 10 pares do tipo para cada 10 quadrilhões de fótons carregados pelos feixes de luz a cada segundo.

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POTENCIAL

O time de pesquisadores ainda não explorou o quão longe o paralelo entre pares associados à supercondutividade nos elétrons e nos fótons vai. Como fótons interagem menos com o ambiente do que os elétrons - especialmente por não possuírem massa de repouso e uma carga como os elétrons -, é improvável que essas partículas causem dramáticos efeitos em correntes eletrônicas. Porém, o achado já disparou diversas especulações entre os cientistas sobre como "supercorrentes" de fótons podem se comportar e como elas podem ser usadas em termos tecnológicos.

Se a produção desses pares de fótons puder ser aumentada, água, por exemplo, pode ser até uma fonte muito barata para a produção de fótons 'emaranhados', os quais são essenciais para computação e a criptografia quântica - campo que promete revolucionar o futuro da humanidade.

O estudo, apesar de muito elogiado internacionalmente e abrir uma nova visão no campo da Física, ainda precisará ser validado por outros grupos de pesquisa ao redor do mundo, para se testar se a explicação envolvendo o par quântico de Cooper realmente se encaixa com as observações.

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LUTANDO PELA CIÊNCIA NO BRASIL

O mais triste é pensar que essa pesquisa nunca teria saído do papel se os experimentos envolvidos não fossem relativamente simples de serem projetados, já que a UFRJ está depletada de recursos e com o governo brasileiro cortando o fundo para a Ciência em cerca de 60% desde 2013 - 44% só neste ano! -, e com previsão de um corte de mais 15,5% em 2018.

"Nós tivemos muita sorte de fazer essa importante descoberta, já que ela não requer equipamentos especiais", disse Saraiva. "Nós não podemos contar com esse tipo de sorte a todo momento."

Mesmo nessa situação, a UFRJ continua firme na luta pela Ciência e pela Educação, sendo que este ano, pela segunda vez consecutiva, ultrapassou a USP como melhor universidade do país segundo o RUF (Ranking de Universidades Folha). Trabalhos como o de Belita mostram essa força de vontade. Muitos dos nossos cientistas ainda acreditam no Brasil, falta só o governo acreditar nos nossos cientistas.

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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS

https://arxiv.org/abs/1709.04520
https://www.nature.com/news/photons-pair-up-like-superconducting-electrons-1.22868
https://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/superconductivity/cooper.php
https://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/superconductivity/cooper.php
http://www.pi1.uni-stuttgart.de/forschung/elektron/supraleitung.en.html
https://www.osti.gov/accomplishments/cooper.html
hep.ph.liv.ac.uk/~hock/Teaching/2010-2011/7-cooper-pair.pdf
https://www2.physics.ox.ac.uk/research/quantum-materials/main-research-topics/superconductivity
https://www.ufmg.br/online/arquivos/041724.shtml
http://fotografia.folha.uol.com.br/galerias/nova/1578649312248101-ufrj-fica-em-primeiro-no-ruf-pelo-segundo-ano-consecutivo