Aplicações da Supercondutividade - O skate voador da Lexus

sexta-feira, 14 de agosto de 2015

Dois líquidos de spin em um supercondutor à base de ferro (Two spin liquids square off in an iron-based superconductor)


Modelo dos mapas de spin no material ferro-telúrio-enxofre. A coluna da esquerda mostra três modelos de correlações de spin, com as cores vermelho e verde correspondentes aos spins orientados em direção oposta. As imagens à direita mostram os padrões de espalhamento de nêutrons para cada caso. A partir de (a), que representa as correlações dominantes em alta temperatura, observe como os spins formam quadrados alternados como um tabuleiro de xadrez na projeção plana, e como o “padrão quadrado de dança” muda para padrão de diagonais em (b), que ocorre a baixas temperaturas, e finalmente alternando em listras previsto de existir em um bom supercondutor (c).


Apesar de um quarto de século de investigação desde a descoberta dos primeiros supercondutores de alta temperatura, os cientistas ainda não têm uma imagem clara de como esses materiais são capazes de conduzir eletricidade sem perda de energia. Os estudos até agora se centram na busca da ordem eletrônica e magnética de longo alcance nos materiais, tais como padrões de spins de elétrons, com base na crença de que esta ordem é subjacente a supercondutividade. Mas um novo estudo está desafiando essa noção.
       O estudo descreve como um material de ferro-telureto relacionado a uma família de supercondutores de alta temperatura desenvolve a supercondutividade sem a ordem eletrônica ou magnética de longa distância quando dopado com uma pequena quantidade de enxofre. Na verdade, o material apresenta um estado magnético tipo-líquido, que consiste de duas fases magnéticas coexistentes e desordenadas, as quais parecem preceder e podem estar associadas ao seu comportamento supercondutor.
       “Nossos resultados desafiam uma série de paradigmas amplamente aceitos em como os supercondutores não convencionais trabalham”, disse o principal pesquisador do estudo, o físico Brookhaven Igor Zaliznyak. “Eu acredito que nós descobrimos uma importante pista para a natureza do magnetismo e suas conexões com a supercondutividade em supercondutores à base de ferro”. Este avanço poderá abrir um novo caminho para explorar o surgimento de uma propriedade com grande potencial para uso generalizado.

A dança quadrada magnética
Zaliznyak e colaboradores estudaram o material supercondutor não convencional feito de ferro e telúrio (FeTe), utilizando espalhamento de nêutrons. Criaram mapas de dispersão magnética para o material a várias temperaturas e com o material dopado com uma pequena quantidade de enxofre. Como uma fotografia composta de várias fotos separadas, os mapas unem diversos “instantâneos” da ordem magnética no material.
       Eles descobriram que a ordem foi de natureza extremamente local, existindo apenas por um instante antes de mudar, uma característica de comportamento tipo-líquido. Os resultados revelaram que uma mudança fundamental no local, padrão tipo-líquido das correlações eletrônicas de spin foi a mudança chave que acompanhou o surgimento de supercondutividade.
       “As medições revelam arranjos dinâmicos de momentos magnéticos semelhantes aos padrões formados por dançarinos em uma pista de dança”, disse Zaliznyak. “À medida que a temperatura foi reduzida, os átomos magnéticos pareciam mudar seus padrões, neste caso, o movimento da dança foi iniciado pelos elétrons que eventualmente evoluem para o estado supercondutor”.

Um raro olhar para o estado líquido
Além de oferecer uma visão sobre um potencial mecanismo para o surgimento de supercondutividade de alta temperatura, este trabalho também fornece informações valiosas sobre a natureza dos líquidos. Apesar de estar entre os mais comuns sistemas da matéria condensada, líquidos ainda são pouco conhecidos em nível microscópico. Na verdade, a natureza dinâmica e fugaz da ordem local em líquidos é o que os tornam particularmente difíceis de estudar.
       A ideia de que os líquidos podem ser uma mistura de dois líquidos diferentes que têm diferentes estruturas e densidades locais, remonta ao final do século XIX. Mesmo agora, a possível existência de diferentes “polimorfos” líquidos em fluidos moleculares simples, e transições de fase líquido-líquido entre eles, continua a receber considerável atenção no mundo da investigação. Mas o problema não tinha sido resolvido, principalmente porque a concorrência entre as diferentes fases líquidas só surge a temperaturas muito baixas.
       “Em alguns materiais, no entanto, essa concorrência surge naturalmente em sistemas de momentos magnéticos eletrônicos, onde o desenvolvimento da ordem magnética é dificultada pelas interações concorrentes”, disse Zaliznyak. “Nestes casos, o material continua a ser desordenado, mesmo a temperaturas muito mais baixas do que a energia das interações magnéticas, produzindo, assim, um estado líquido de spin eletrônico”.
       “Nossos resultados que estudam o sistema de spin no FeTe dopado com enxofre é um exemplo experimental raro de um polimorfismo líquido”.

Percepções mais inesperadas
Os resultados do grupo também refutam outro conjunto de pontos de vista amplamente aceitos dos estados eletrônicos em metais, onde os elétrons só estão autorizados a ocupar um determinado conjunto de rígidas bandas de energia. O estado líquido de spin descoberto parece refletir a existência de novos híbridos elétron-orbital, provavelmente resultante da dopagem de enxofre, mas também provocada por mudanças de temperatura.
       “Esta é uma descoberta surpreendente que exige uma profunda revisão do modelo tight binding, disse Zaliznyak.
       Ele e seu grupo também podem ter encontrado uma explicação para os misteriosos padrões de espalhamento de nêutrons observados por outros grupos que estudam amostras de supercondutores baseados em ferro.
       “Parece que toda a variedade nos padrões de nêutrons que foram observadas nesses materiais pode ser bem descrita por nosso modelo de spin-líquido”, disse ele. “Eles todos se manifestam com correlações locais muito semelhantes, revelando que nós podemos ter encontrado uma incrível universalidade intrínseca entre eles”.







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