Dois estados quânticos pelo preço de um

Sobre extremos de pressão e temperatura, o hidrogênio pode transformar-se em um supercondutor, conduzindo eletricidade sem resistência. Mas ele pode também se transformar em um líquido que flui sem fricção – um superfluido. Esse estado combinado inédito e outros relacionados são previstos por simulações computacionais relatadas em junho na Physical Review B e na Physical Review Letters de 23 de setembro. Se esses estados incomuns realmente existem permanece discutível, mas testes experimentais podem logo resolver o debate.
Sobre pressão suficiente – milhões de atmosferas, como aquela que ocorre no interior de Júpiter – o hidrogênio vira um metal líquido. A temperaturas de poucos graus acima do zero absoluto, ele pode se transformar em supercondutor, no qual uma corrente de elétrons pode fluir sem resistência. A estas temperaturas um estado de supercondutividade de prótons pode também ocorrer. Além disso, os estados dos elétrons e prótons podem cooperar para formar um superfluido, no qual elétrons e prótons se moveriam em conjunto, permitindo movimento de massa livre de atrito, sem movimento líquido de carga.
Asle Sudbø da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia em Trondheim, em colaboração com dois físicos da Universidade de Cornell, previram recentemente algumas propriedades do estado superfluido supercondutor e de outros dois estados – um supercondutor mas não superfluido, outro superfluido mas não supercondutor. Em seus últimos dois artigos, Sudbø e seus colegas descrevem simulações que exploram em detalhe as interações dos elétrons e prótons no hidrogênio líquido. Todos os três estados aparecem nas simulações, com transições entre eles controladas pela temperatura e um campo magnético externamente aplicado.
Um campo magnético pode forçar muitos supercondutores a ficar num estado parecido com um queijo suiço, onde o campo penetra apenas através de tubos de material não-supercondutor chamados linhas de vórtices, ao redor dos quais circulam elétrons. A baixas temperaturas, na fase supercondutora e superfluida do hidrogênio líquido, linhas de vórtice de ambos elétrons e prótons supercondutores coincidem fisicamente e formam uma grade fixa.
Ao aquecer o hidrogênio, duas coisas acontecem, dependendo da força do campo magnético, dizem os pesquisadores. Em um campo modesto, as linhas de vórtice do próton começam a destacar-se das linhas de vórtice dos elétrons a medida que o campo se aquece. Essa separação perturba o movimento coerente dos dois componentes e destrói a superfluidez, enquanto que a supercondutividade persiste. Em suas simulações, a equipe observou a transição a este estado “eletrônico supercondutor”.
Se o campo é fixado com uma intensidade maior a medida que a temperatura sobe, os dois tipos de vórtice grudam um no outro e saem de suas posições rígidas na grade para se moverem livremente, criando o que os pesquisadores chamam de um líquido de vórtices. Essa fase não é supercondutora porque uma corrente elétrica forçaria os tubos de fluxo magnético a se moverem, e portanto gastarem energia. Mas porque as cargas de elétrons e prótons permanecem coordenadas em qualquer lugar, a superfluidez é preservada. Sudbø e seus colegas também viram esta fase em suas simulações.
“O estado [supercondutor superfluido] seria interessante,” diz David Ceperly da Universidade de Illinois em Urbana-Champaing, mas não acredita que ele possa realmente ocorrer. A questão crucial é se o hidrogênio se congela em um sólido ou se permanece líquido a baixas temperaturas, e seus próprios cálculos em computador sugerem que ele congela antes. Outros, entretanto, discordam.
Felizmente, Ceperly e Sudbø concordam que experimentos podem resolver a questão em breve. Novos métodos de laboratório para fabricar diamantes perfeitos poderiam logo permitir a construção de dispositivos de compressão que resistem às pressões necessárias para criar hidrogênio superfluido metálico. “Apenas os experimentos dirão se estes estados existem ou não”, disse Sudbø.