Há mais de três décadas, o supercondutor Sr₂RuO₄ (rutênio de estrôncio) desafiava os físicos com um enigma aparentemente insolúvel: afinal, qual era a natureza do emparelhamento de seus elétrons? Um estudo conduzido por pesquisadores da Universidade de Kyoto utilizou uma técnica inovadora de aplicação de deformação mecânica para testar a principal hipótese vigente, e o resultado foi uma reviravolta que descarta uma teoria de 30 anos, aprofundando o mistério em vez de resolvê-lo.
O paradoxo do supercondutor que não contém cobre
Descoberto em 1994, o Sr₂RuO₄ é um supercondutor de estrutura perovskita que não contém cobre, um fato que por si só já o tornava um objeto de estudo valioso. Sua temperatura de transição supercondutora é de apenas 1,5 K (cerca de -272 °C), um valor baixo se comparado a outros materiais. O que realmente atraiu a atenção da comunidade científica, no entanto, foi a impossibilidade de determinar, por três décadas, a simetria do chamado “parâmetro de ordem” — a função de onda que descreve como os elétrons se emparelham para gerar a supercondutividade.
O impasse entre dois modelos concorrentes
O parâmetro de ordem pode ser de dois tipos principais: de um único componente (unidimensional) ou de dois componentes (bidimensional). Para o Sr₂RuO₄, as evidências experimentais eram conflitantes. Experimentos com ultrassom apontavam fortemente para um modelo de dois componentes. Já testes que aplicavam deformação mecânica uniaxial no cristal indicavam um modelo de um componente. Essa divergência, dependente da técnica utilizada, tornou o material um dos problemas mais espinhosos da física da matéria condensada.
Por que a deformação por cisalhamento é a chave do enigma
Para resolver o impasse, a equipe do Instituto de Pesquisas RIKEN-Kyoto University (TRiKUC), liderada pelo professor associado Giordano Mattoni, pelo pesquisador Thomas Johnson e pelo professor Yuehui Maeno, adotou uma abordagem nunca antes tentada: aplicar uma deformação por cisalhamento (shear strain). Diferente da deformação uniaxial, que estica ou comprime o material, o cisalhamento desliza os planos cristalinos lateralmente, como se um baralho fosse empurrado de lado.
O desafio técnico foi imenso. A equipe precisou polir cristais de Sr₂RuO₄ até uma espessura de aproximadamente 30 micrômetros e colá-los diretamente em um elemento piezoelétrico. Um sistema de imageamento óptico foi desenvolvido para medir a deformação em tempo real, em temperaturas criogênicas de até 30 K.
Resultado inequívoco: a temperatura de transição não se altera
Os resultados foram claros e contundentes. Para nenhuma das três direções de cisalhamento aplicadas, a temperatura crítica (Tc) do supercondutor variou de forma significativa. A variação máxima medida foi inferior a 10 milikelvins (mK) para cada 1% de deformação, um valor dentro do limite de detecção do experimento. Se o modelo de dois componentes estivesse correto, a Tc deveria ter apresentado uma clara dependência com a deformação por cisalhamento, formando um gráfico em forma de “V”. As previsões teóricas, baseadas na relação de Ehrenfest e nos dados de ultrassom, indicavam uma variação de dezenas a centenas de mK, dezenas de vezes maior do que o observado.
Esse dado demonstra que o acoplamento entre a deformação por cisalhamento e a supercondutividade no Sr₂RuO₄ é, para todos os efeitos, inexistente. A conclusão do estudo, publicado na Nature Communications, é direta: a hipótese do parâmetro de ordem de dois componentes, a mais aceita por três décadas, é fortemente rejeitada pelos novos dados.
O paradoxo que persiste: os dados que nenhum modelo explica
Se o problema parecia resolvido, a realidade se mostrou mais complexa. O modelo de um componente, que agora ganha força, falha em explicar outras evidências experimentais robustas. Diversos estudos, usando técnicas como rotação de múon e efeito Kerr, detectaram uma “quebra da simetria de reversão temporal” no estado supercondutor — um fenômeno que gera campos magnéticos internos espontâneos e que é natural em modelos de dois componentes, mas difícil de justificar em modelos de um componente.
Experimentos com junções supercondutoras indicam a existência de múltiplos domínios supercondutores, e há fortes indícios de “linhas de nó” no gap supercondutor. Nenhum dos dois modelos concorrentes consegue, sozinho, dar conta de todas as observações. A pesquisa cria um dilema ainda maior: as técnicas de ultrassom e de deformação direta, que antes pareciam apontar para direções opostas, agora mostram uma discordância fundamental que precisa ser explicada.
O que é o parâmetro de ordem e por que ele é crucial
Para o leitor que busca entender o cerne da questão, a pergunta central é: o que define a “personalidade” de um supercondutor? A resposta está no parâmetro de ordem. Ele descreve a simetria do par de elétrons (conhecido como par de Cooper) que é responsável pela condução sem resistência. A determinação precisa dessa simetria é fundamental não apenas para entender o Sr₂RuO₄, mas para guiar a busca por supercondutores que funcionem em temperaturas mais altas e aplicáveis. O estudo de Kyoto não respondeu à pergunta, mas eliminou uma candidata principal, estreitando o campo de busca.
Uma nova ferramenta para a física da matéria condensada
A técnica de aplicação e medição de deformação por cisalhamento desenvolvida em Kyoto não se limita ao Sr₂RuO₄. Ela se torna uma nova e poderosa ferramenta para investigar outros materiais quânticos onde a simetria do parâmetro de ordem é debatida, como o supercondutor de férmions pesados UPt₃. O enigma do Sr₂RuO₄ pode não ter sido decifrado, mas o método para decifrá-lo acaba de ser aprimorado.
