Nessa ilustração,
uma única camada do supercondutor seleneto de ferro FeSe (bolas e varetas) foi
colocado sobre outro material conhecido como STO (SrTiO3). O STO é
mostrado como pirâmides azuis, que representa o arranjo dos átomos. Um estudo
da SLAC descobriu que, quando as vibrações naturais (brilho verde) do STO movem-se
para o filme de seleneto de ferro, os elétrons no filme (esferas brancas) podem
emparelhar-se e conduzir eletricidade com 100% de eficiência em temperaturas
muito mais altas do que antes. Os resultados sugerem uma maneira de obter supercondutores
que funcionem a temperaturas mais elevadas. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory
Um estudo do Departamento de Energia do SLAC National Accelerator Laboratory sugere pela primeira vez como
os cientistas podem projetar supercondutores que funcionam em altas
temperaturas. Em seu artigo, a equipe liderada por pesquisadores do SLAC e da Stanford University
explica porque uma fina camada de seleneto de ferro (FeSe) superconduz em
temperaturas muito mais altas quando colocada em cima de outro material, o titanato de estrôncio STO (SrTiO3).
A descoberta, publicada na revista Nature, abre um novo
capítulo em 30 anos de busca para desenvolver supercondutores que operem à
temperatura ambiente, o que pode revolucionar a sociedade, tornando muito mais
eficiente tudo que funciona com eletricidade. Apesar dos supercondutores de
alta temperatura de hoje operarem em temperaturas muito mais elevadas do que os
supercondutores convencionais, eles ainda funcionam somente quando refrigerados
a –135 °C.
No novo estudo, os cientistas concluíram que vibrações naturais
de trilhões de vezes por segundo no STO viajam para dentro do filme de FeSe em pacotes distintos, como uma saraivada de gotas de água sacudida por
um cachorro molhado. Estas vibrações doam a energia que os elétrons precisam para
emparelhar-se e o material superconduz a temperaturas mais elevadas do que
seria possível isolado.
“Nossas
simulações indicam que esta abordagem - usando vibrações naturais em um
material para aumentar a supercondutividade em outro - poderia ser usada para
elevar a temperatura de funcionamento dos supercondutores à base de ferro em 50%”,
disse Zhi-Xun Shen, professor da SLAC e da Universidade de Stanford e principal autor
do estudo. Enquanto esse ganho ainda se distancia da temperatura
ambiente, acrescenta Shen, “Nós agora temos o primeiro exemplo de um mecanismo que
poderia ser usado para projetar supercondutores de alta temperatura com
controle de átomo por átomo e torná-los melhor.”
Essa imagem mostra um
aspecto importante: colocar FeSe em cima do STO aumenta sua supercondutividade apenas
se for aplicada uma única camada (esquerda). Quando mais de uma camada é sobreposta,
as vibrações naturais que vêm acima da camada de STO não fornecem aos elétrons a
energia que precisam para emparelhar-se e superconduzir (direita). (Fonte: SLAC)
‘Espionando’
elétrons
O estudo investigou uma feliz combinação de materiais
desenvolvida há dois anos por cientistas na China. Eles descobriram que, quando
uma única camada de FeSe é depositada sobre o STO, a sua temperatura crítica
salta de 8 para aproximadamente 77 K (–196 °C). Embora isso tenha sido um salto
enorme e bem-vindo, seria difícil construir sobre esse avanço sem entender o
que, exatamente, estava acontecendo. No novo estudo, os pesquisadores construíram
um sistema para o crescimento de filmes de FeSe de uma única camada em um
substrato de STO.
A equipe
examinou o material com uma técnica extremamente sensível chamada ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy),
a qual mede as energias e momentos de elétrons ejetados a partir de amostras
atingidas com a luz de raios-X. Isto diz aos cientistas como os elétrons dentro
da amostra estão se comportando. Os pesquisadores também contaram com a ajuda
de teóricos que fizeram simulações para ajudar a explicar o que estavam observando.
Uma
nova direção promissora
“Essa é uma experiência muito impressionante, que teria sido muito
difícil ou impossível de fazer em qualquer outro lugar”,
disse Andrew Millis, físico teórico da Columbia University especialista em
matéria condensada, mas que não esteve envolvido no estudo. “Isso está
claramente nos dizendo algo importante sobre o porquê de colocar uma camada
fina de SeFe neste substrato, que todos pensavam que era inerte e chato, e muda
as coisas dramaticamente. Abre muitas perguntas interessantes que certamente
estimulará uma série de investigações.”
Os
cientistas ainda não sabem o que mantém os pares de elétrons em conjunto para
que eles possam transportar corrente facilmente em supercondutores de alta
temperatura. Sem qualquer forma de inventar novos supercondutores de alta
temperatura ou melhorar os antigos, o progresso tem sido lento. Os novos
resultados “apontam
para uma nova direção que as pessoas não tinham considerado antes”,
disse Moore. “Eles
têm o potencial para quebrar recordes em supercondutividade de alta temperatura
e dar-nos uma nova compreensão das coisas que estivemos lutando por anos”.
Ele
acrescentou que o SLAC está desenvolvendo uma nova linha de raios-X com um
sistema ARPES mais avançado para criar e estudar esses e outros materiais
exóticos. “Esse
documento prevê um novo caminho para a engenharia da supercondutividade nestes
materiais”, Moore disse, “e nós estamos construindo as ferramentas para isso”.
Além de
pesquisadores do SLAC e de Stanford, também contribuíram para o estudo cientistas
da University of British Columbia, da
University of Tennessee, do Lawrence Berkeley National Laboratory e
da University of California.
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