Ruído dos elétrons liga pseudogap de supercondutor ao pareamento e destaca a importância da coordenação

Um fraco sinal elétrico aponta para uma peça que faltava

Pares de elétrons com energias de até 70 milielectronvolts deram aos físicos uma nova pista sobre um mistério que persiste há quase quatro décadas: por que os supercondutores de óxido de cobre perdem a resistência elétrica em temperaturas muito superiores às dos supercondutores convencionais. Ao medir pequenas flutuações na corrente elétrica, os pesquisadores descobriram que o pareamento acompanhava a energia de uma característica intrigante chamada pseudogap, mesmo quando essa energia mudava ao longo da superfície de um cristal.

A equipe, liderada por Milan Allan, da Universidade Ludwig Maximilian de Munique, e Ingmar Swart, da Universidade de Utrecht, com colaboradores de Leiden e de outras instituições, estudou um material de óxido de cobre conhecido como BSCCO. Os resultados relacionam o pseudogap à formação de pares de elétrons e voltam a atenção para outro requisito da supercondutividade: fazer esses pares agirem de forma coordenada.

O estudo de Jiasen Niu e colegas, intitulado Equivalence of pseudogap and pairing energy in a cuprate high-temperature superconductor, foi publicado na revista Science em 5 de novembro de 2026, segundo o comunicado da universidade sobre a pesquisa. Seu DOI é 10.1126/science.adt3444. O experimento oferece um alvo mais preciso para pesquisas que buscam materiais capazes de conduzir eletricidade sem resistência em temperaturas mais altas.

O que significa pseudogap

O BSCCO pertence a uma família de materiais de óxido de cobre chamada cupratos. Acima da temperatura em que esses materiais se tornam supercondutores, as medições podem indicar menos estados eletrônicos disponíveis em uma determinada faixa de energia. Os físicos chamam essa escassez parcial de pseudogap. Os elétrons continuam no material, mas seu comportamento altera o que os instrumentos de medição conseguem detectar.

Há décadas, duas explicações gerais disputam espaço. Os elétrons podem se organizar em padrões, como ondas de densidade de carga, nas quais a carga elétrica forma uma estrutura repetitiva. Outra possibilidade é que eles já estejam se juntando em pares de Cooper, o estado pareado associado à supercondutividade, antes que o material consiga conduzir corrente sem resistência.

Essa diferença importa porque muda o que os pesquisadores devem tentar aprimorar. Se os pares já existem, um desafio central passa a ser organizá-los em um estado quântico compartilhado. As novas medições colocam o pareamento dos elétrons no centro do pseudogap, sem descartar que padrões de carga e pareamento coexistam.

Detectar pares em vez de elétrons individuais

Os pesquisadores procuraram pares medindo o ruído de disparo, as pequenas flutuações aleatórias que surgem porque a carga elétrica chega em quantidades separadas. Em uma escala cotidiana, a corrente pode parecer contínua, mas um instrumento suficientemente sensível consegue detectar suas irregularidades microscópicas.

Allan, um dos líderes da pesquisa, explicou o princípio comparando a carga elétrica a gotas de chuva atingindo um telhado:

Se você imaginar gotas de chuva e, de repente, elas ficarem com o dobro do peso, haverá mais ruído.

Pares de elétrons transportam o dobro da carga de elétrons individuais. Sua contribuição altera o ruído da corrente, oferecendo aos pesquisadores uma maneira de identificar o pareamento em vez de depender apenas de mudanças no número de estados eletrônicos detectáveis.

A equipe usou um microscópio de tunelamento por varredura, que conduz corrente entre uma ponta extremamente afiada e uma amostra. O deslocamento da ponta permitiu fazer medições em diferentes pontos da superfície. A mudança da tensão selecionava a energia analisada. Em conjunto, esses controles permitiram comparar o pseudogap local com o sinal local de pareamento.

Quatro anos de trabalho para detectar um sinal fraco

O BSCCO apresentou um desafio considerável para as medições. Em supercondutores convencionais, o pareamento pode produzir uma duplicação nítida do ruído de disparo. No experimento com cuprato, elétrons individuais continuaram contribuindo para a corrente junto com os pares, tornando o ruído adicional muito mais fraco.

Os estudantes passaram cerca de quatro anos aprimorando os componentes eletrônicos necessários para extrair esse sinal. Os próprios pesquisadores desenvolveram e construíram os equipamentos, que lhes deram a sensibilidade necessária para distinguir as contribuições dos elétrons individuais e dos pares de elétrons.

Allan descreveu o trabalho por trás do instrumento:

Não houve um truque específico. Foi um trabalho artesanal de eletrônica.

Os pesquisadores também precisaram examinar outras possíveis causas da flutuação da corrente, incluindo movimentos de átomos na superfície. Determinar onde o ruído adicional surgia, como mudava de um ponto a outro e como respondia a um campo magnético tornou-se essencial para o experimento.

A energia de pareamento acompanhou o pseudogap

Os cristais de BSCCO, feitos de bismuto, estrôncio, cálcio, cobre e oxigênio, foram resfriados a poucos graus acima do zero absoluto. Em cada ponto analisado, o ruído adicional associado ao pareamento apareceu na energia do pseudogap local. Onde a energia do pseudogap mudava, o sinal de pareamento a acompanhava.

Uma apresentação de 19 de março de 2025, feita pela pesquisadora de Utrecht Maialen Ortego Larrazabal no Encontro Global de Física da APS, descreveu energias de pareamento de até 70 milielectronvolts, ou meV. O resumo da apresentação da APS também registrou que a energia de pareamento variava ao longo do material e identificou o preprint relacionado como arXiv:2409.15928.

Um milielectronvolt é uma unidade de energia usada para descrever processos na escala de átomos e elétrons. Nesse caso, a energia de pareamento descreve a intensidade do estado pareado. O resultado importante foi a estreita correspondência entre essa energia e o pseudogap, inclusive em suas variações locais.

A mesma relação apareceu em amostras com diferentes composições químicas. Isso deu aos pesquisadores uma conexão recorrente tanto entre diferentes pontos da superfície quanto entre amostras, em vez de uma correspondência observada em um único ponto.

O campo magnético ofereceu uma verificação adicional

Os pesquisadores aplicaram campos magnéticos de até 6 teslas para testar a origem do ruído adicional. À medida que o campo aumentava e suprimia a contribuição do pareamento, o ruído caía em direção ao nível associado aos elétrons individuais. Enquanto isso, o padrão geral de redução dos estados eletrônicos permanecia praticamente inalterado.

Essa resposta reforçou a relação entre o ruído adicional e o pareamento dos elétrons. A explicação para o pseudogap agora precisa levar em conta o pareamento, além de quaisquer estruturas de carga presentes no material.

Swart, um dos líderes da pesquisa na Universidade de Utrecht, descreveu a conclusão:

Qualquer que seja a explicação detalhada para o pseudogap, o pareamento deve fazer parte dela.

As ondas de densidade de carga ainda podem estar entrelaçadas com o estado pareado. O desafio é explicar como esses comportamentos se combinam e como afetam a temperatura em que a supercondutividade começa.

Por que formar pares é apenas o primeiro passo

A supercondutividade exige tanto o pareamento dos elétrons quanto a coerência de fase. Coerência de fase significa que os pares compartilham um estado quântico organizado por todo o material. Uma comparação simples é uma pista de dança: cada casal pode dançar junto, mas o grupo inteiro ainda precisa seguir um ritmo comum.

Nos supercondutores convencionais, o pareamento e a coordenação coletiva surgem juntos na temperatura crítica, geralmente representada por Tc. Os resultados com cupratos apontam para uma sequência diferente: o pareamento está associado a uma escala de energia maior, enquanto a coerência coletiva só aparece quando o material esfria ainda mais.

Swart explicou o quadro que emerge das medições:

Assim, o quadro que surge é que primeiro há pares pré-formados e, só em temperaturas mais baixas, a coerência de fase se estabelece.

Para os pesquisadores que tentam elevar Tc, isso muda o foco para os fatores que controlam a coordenação entre os pares. Um pareamento forte poderia permitir uma temperatura de transição mais alta, caso o material também consiga manter a coerência. Por isso, a intensidade do pareamento e o início do comportamento coordenado precisam ser examinados separadamente.

A temperatura ambiente é uma meta, mas ainda há medições a fazer

O comunicado da universidade apresenta a intensidade do pareamento como um resultado promissor para a busca da supercondutividade à temperatura ambiente. Swart argumenta que a interação que mantém os pares unidos pode ser forte o bastante para persistir nessas temperaturas, o que faz da coerência de fase o provável fator limitante.

Swart descreveu essa interpretação no comunicado:

A 'cola' que mantém os pares unidos é forte o bastante para mantê-los juntos até mesmo à temperatura ambiente.

As medições diretas de ruído foram feitas em temperaturas muito baixas. A técnica perde sensibilidade conforme a temperatura aumenta, e a equipe não conseguiu medir o sinal de pareamento acima de Tc, onde o pseudogap costuma ser estudado. Fazer medições diretas nessa faixa mais quente continua sendo uma meta experimental; a interpretação sobre a temperatura ambiente se baseia na energia de pareamento medida.

Allan também espera que a busca envolva vários efeitos físicos interligados, e não um único ajuste. Alcançar coerência em temperaturas mais altas exigirá compreender como o pareamento, os padrões de carga e outras propriedades do material influenciam uns aos outros.

Próximos experimentos vão separar pareamento de coordenação

Swart quer produzir mapas de ruído com maior detalhamento espacial e, por fim, construir um instrumento que detecte diretamente a coerência de fase. Medir separadamente as duas propriedades poderia mostrar onde o pareamento surge, onde a coerência se desenvolve e o que muda na transição para a supercondutividade.

As medições em temperaturas mais altas também são prioritárias. Estender a técnica de ruído para além de Tc permitiria investigar diretamente o pareamento na faixa de temperatura mais associada ao pseudogap. Não foi informada uma data para a conclusão desses avanços.

O trabalho já passou por várias etapas públicas:

• 19 de março de 2025: Ortego Larrazabal apresentou medições locais de ruído e energias de pareamento de até 70 meV no Encontro Global de Física da APS.
• 5 de novembro de 2026: O comunicado da universidade registra a publicação do estudo na revista Science.
• Próximas metas da pesquisa: aprimorar a resolução espacial, estender as medições a temperaturas mais altas e detectar diretamente a coerência de fase.

Allan também vê um papel para a química e para experimentos apoiados por inteligência artificial na busca por materiais melhores. Compreender a física pode ajudar a identificar alvos promissores, enquanto produzir e testar novas composições pode revelar quais combinações realmente elevam Tc.

A motivação prática é significativa. A resistência transforma energia elétrica útil em calor, enquanto a supercondutividade permite que a corrente flua sem essa perda. O resfriamento continua sendo um grande obstáculo para muitas tecnologias supercondutoras. Um material que mantivesse tanto o pareamento quanto a coerência em temperaturas mais altas poderia reduzir esse obstáculo, mas o avanço imediato é uma compreensão mais precisa do que os pesquisadores precisam medir e controlar.

Principais pontos

• Pesquisadores relacionaram o pseudogap no BSCCO ao pareamento dos elétrons ao medir pequenas flutuações na corrente elétrica.
• As energias de pareamento chegaram a 70 meV e variaram ao longo da superfície, acompanhando a energia local do pseudogap.
• Campos magnéticos de até 6 teslas reduziram o ruído adicional em direção ao nível associado aos elétrons individuais.
• Os resultados apoiam um quadro em que os pares se formam antes de adquirir a coordenação coletiva necessária para a supercondutividade.
• O experimento mediu o ruído em temperaturas muito baixas. Fazer medições diretas acima da transição supercondutora continua sendo uma meta.
• Os próximos trabalhos se concentrarão em medições em temperaturas mais altas, mapas mais detalhados e detecção direta da coerência de fase.