A rota para a supercondutividade de alta temperatura passa pela superfície plana (The route to high temperature superconductivity goes through the flat land)

Pesquisadores descobriram que a supercondutividade é possível mesmo em um cristal onde a massa aparente dos elétrons é infinita. O cristal é descrito como a matriz ordenada de esferas laranja e verde (átomos) na figura. Elétrons com uma massa aparente infinita também são chamados de elétrons em bandas planas. A supercondutividade pode ocorrer se as ondas de elétrons centradas em torno dos átomos individuais, se distribuem amplamente de forma que se sobreponham significativamente. Em seguida, os elétrons saltam de um átomo para outro através da região de sobreposição, e é assegurado o fluxo da supercorrente. Notavelmente, uma invariante topológica das ondas de elétrons, semelhante à torção da banda de Mobius mostrada na figura, garante que existe sobreposição das ondas de elétrons. Crédito: Universidade Aalto, Antti Paraoanu.

Um problema importante em aberto em ciência dos materiais é compreender o mecanismo subjacente à supercondutividade, e em particular, ser capaz de prever com precisão a temperatura crítica abaixo da qual a transição supercondutora ocorre. De fato, não há atualmente teorias disponíveis que podem fornecer previsões precisas para a temperatura crítica dos materiais supercondutores mais úteis. Isso é lamentável, uma vez que uma boa compreensão do mecanismo da supercondutividade é essencial se estamos interessados ​​na síntese de materiais que podem um dia alcançar a supercondutividade à temperatura ambiente, sem refrigeração.

Um avanço potencial foi recentemente apresentado por pesquisadores da Universidade Aalto. O estudo baseia-se na teoria do movimento eletrônico em cristais desenvolvida por Felix Bloch em 1928. É uma consequência interessante da mecânica quântica que um elétron que sente a carga elétrica de um conjunto ordenado de átomos (um cristal) pode mover-se livremente como se estivesse no espaço livre. No entanto, o cristal tem efeito não trivial modificando a massa aparente do elétron. Os elétrons parecem ser mais pesados ​​(ou mais leves) em um cristal do que no espaço livre, o que significa mais ou menos energia para empurrá-los e movê-los.

Este fato tem consequências muito importantes, pois os elétrons com massa aparente maior leva a temperaturas críticas maiores para a supercondutividade. O ideal para maximizar a temperatura crítica, é considerar os elétrons com massa aparente infinita ou, no jargão dos físicos, os elétrons em uma 'banda' plana. Ingenuamente poderíamos esperar que os elétrons com massa infinita seriam presos no lugar, incapaz de transportar qualquer corrente, e a propriedade essencial da supercondutividade seria perdida.

“Fiquei muito intrigado para descobrir como uma supercorrente, isto é, a corrente elétrica, pode ser transportada por elétrons em uma banda plana. Tivemos alguns indícios de que este fato é possível, mas não uma solução geral deste paradoxo”, diz Paivi Torma, professora de física da Universidade Aalto. Surpreendentemente no mundo da mecânica quântica, uma massa infinita não necessariamente impede o fluxo de corrente elétrica. A chave para este mistério é lembrar que os elétrons são objetos quânticos com ambos os recursos, onda e partícula. Os pesquisadores descobriram que a massa sozinha, que é uma propriedade de partículas, não é suficiente para caracterizar completamente elétrons em sólidos. Também precisamos de algo chamado de ‘métrica quântica’.

Uma métrica diz como as distâncias são medidas, por exemplo, a distância entre dois pontos é diferente em uma esfera do que sobre uma superfície plana. Acontece que a métrica quântica mede a propagação das ondas dos elétrons em um cristal. Essa propagação é uma propriedade tipo onda. Os elétrons com a mesma massa aparente, possivelmente infinita, podem ser associados com as ondas que são mais ou menos distribuídos no cristal, tal como medido pela métrica quântica. Quanto maior for a métrica quântica, maior a supercorrente que o supercondutor pode transportar. “Nossos resultados são muito positivos”, diz Sebastiano Peotta, “eles abrem uma nova via para engenharia de supercondutores com alta temperatura crítica. Se as nossas previsões estiverem corretas, o bom senso vai sofrer um grande golpe, mas eu estou bem com isso”.

Outra descoberta surpreendente é que a métrica quântica está intimamente relacionada a uma propriedade tipo onda ainda mais sutil dos elétrons, quantificada por um número inteiro chamado de número de Chern. O número de Chern é um exemplo de uma invariante topológica, ou seja, uma propriedade matemática de objetos que não é alterado sob uma  suave (não disruptiva) deformação arbitrária do próprio objeto. Um exemplo simples de uma invariante topológica é o número de voltas de uma fita. Em matemática, uma fita com uma única volta é chamada de banda de Mobius e é mostrada na figura. Uma volta pode ser movida para frente e para trás na fita, mas nunca removida a menos que a fita seja quebrada. O número de voltas é sempre um número inteiro.

Da mesma forma, o número de Chern só pode assumir valores inteiros e não podem ser mudados a não ser que uma alteração drástica ocorra sobre as ondas de elétrons. Se o número de Chern for diferente de zero, não é possível ‘desatar’ as ondas de elétrons centradas em átomos vizinhos do material. Como consequência, as ondas têm de se sobrepor, e é esta sobreposição finita que garante a supercondutividade, mesmo em uma banda plana. Os pesquisadores descobriram uma ligação inesperada entre supercondutividade e topologia.

Fonte1: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-11/au-trt112015.php

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2015/151120/ncomms9944/full/ncomms9944.html

Desvendando complexas fases eletrônicas em um supercondutor (Unraveling the complex, intertwined electron phases in a superconductor)

Representação da onda de densidade de carga. Este padrão de halteres, cada uma representando o orbital em um átomo de oxigênio, pode parecer estático, mas se você olhar de perto, você verá que as cores dos orbitais mudam quando você se move da esquerda para a direita. Esta mudança de cor (amarelo, branco, azul, branco, amarelo, branco, azul ...) representa mudanças na densidade de carga (alto, médio, baixo, médio, alto, médio, baixo ...) que se move através do plano da esquerda para a direita. Crédito: Laboratório Nacional de Brookhaven

Uma equipe liderada por pesquisadores do Brookhaven National Laboratory e da Universidade de Cornell nos EUA identificou um arranjo chave de elétrons em um supercondutor de alta temperatura. O material é um membro da família dos cupratos, compostos supercondutores à base de cobre e oxigênio que são os principais candidatos para inúmeras aplicações de alto impacto.

O fenômeno que eles estudaram é conhecido como uma onda de densidade de elétrons. Ao contrário de outros elétrons no material que se movem livremente, a onda de densidade de elétrons é uma fase periódica, fixa que parece competir com e dificultar a fase supercondutora. Muitos pesquisadores acreditam que a onda de densidade é a chave para desvendar os cupratos: se eles compreenderem completamente a onda de densidade de elétrons, então podem ser capazes de determinar como suprimi-la ou removê-la para induzir a supercondutividade, possivelmente, até mesmo à temperatura ambiente. Mas, para atingir esse objetivo, eles devem primeiro obter uma compreensão completa das causas da onda de densidade de elétrons.

Este estudo é o primeiro a identificar as origens em escala atômica e influências que produzem a onda de densidade em cupratos. “Em um metal, você tem elétrons que vão em todas as direções, com uma vasta gama de energias e momentos. É quase como um gás de elétrons”, disse o cientista chefe do estudo, Séamus Davis, um de físico Brookhaven. “Qual desses elétrons fornecem os componentes que compõem o estado onda de densidade em cupratos? Fomos capazes de responder a esta pergunta. Nós identificamos tanto a energia e momentos dos elétrons relevantes”.

Outra peça do quebra-cabeça

Existem diversos membros conhecidos da família dos cupratos. O ‘melhor’ descoberto até agora funciona como um supercondutor a cerca de 140 K (-130 °C), aproximadamente a meio caminho entre o zero absoluto (-273 °C) e a temperatura ambiente (21 °C). Todos têm estruturas em camadas, com a supercondutividade ocorrendo nas camadas de óxido de cobre (CuO₂), cada uma com apenas uma molécula de espessura. Além da fase supercondutora, estes materiais apresentam uma outra forma misteriosa de ordem eletrônica, chamada de “pseudogap”. Embora muito mal compreendida, em geral, a sua escala de energia característica, chamada de gap de energia, está bem estabelecida. O grupo do professor Davis e outros estudaram esta fase extensivamente.

No ano passado, juntamente com outros pesquisadores, a equipe estabeleceu a primeira ligação entre o desaparecimento da onda de densidade na fase pseudogap e a emergência, como afirma Davis, de “elétrons universalmente livres necessários para a supercondutividade irrestrita”.

Em trabalho mais recente, o resultado mais importante parece sugerir uma outra ligação íntima entre a onda de densidade de elétrons e a fase pseudogap: a energia característica de modulação da onda de densidade é igual à energia do pseudogap. Além disso, eles mostraram que os elétrons que compõem a onda de densidade de elétrons têm a característica dinâmica na qual o pseudogap aparece. A implicação fundamental é que o estado de pseudogap é de alguma forma o ‘pai’ do estado de onda de densidade.

Imagem de elétrons com elétrons

A nova abordagem experimental e o conceito do estudo em si foram concebidos depois de um dos autores do estudo, o físico teórico Subir Sachdev, considerar o comportamento da onda de densidade de elétrons diferente ao longo das diferentes ligações na célula unitária de CuO₂.

“Ao olhar para alguns dos dados anteriores obtidos pelo grupo de Davis, notei que o comportamento dos elétrons era exclusivo para as ligações horizontais no plano CuO₂”, disse ele. “Eu me perguntei se isso poderia ser a onda de densidade de carga”.

Ele contatou Davis e eles começaram a projetar o experimento. Eles propuseram uma nova maneira de estudar um cuprato, que nenhum outro grupo havia tentado: uma potente técnica de imagem desenvolvida por Davis, chamada de imagem de sub-rede, é feita utilizando um microscópio de varredura por tunelamento (STM) capaz de determinar a estrutura eletrônica em diferentes subconjuntos de átomos no cristal, as chamadas sub-redes.

Um STM fotografa uma amostra usando elétrons; o tipo usado aqui pode ‘ver’ detalhes menores do que a célula unitária do cristal CuO₂. Ele usa uma ponta metálica muito afiada, colocada extremamente perto da superfície da amostra, menos de um décimo de nanômetro de distância. Uma pequena voltagem é então aplicada através da ponta e da amostra, o que, por causa da sua proximidade, permite o tunelamento de elétrons através do espaço de vácuo entre a ponta e a amostra. A taxa de elétrons que passa através da ponta, ou em outras palavras, a corrente é uma medida da densidade de elétrons na fina região da amostra diretamente abaixo dela. Então, quando a ponta é passada através da superfície de amostra, cria-se uma imagem espacial da densidade de elétrons e, em separado, da rede cristalina.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-10-unraveling-complex-intertwined-electron-phases.html

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3519.html

O supercondutor que funciona na temperatura da Terra (The Superconductor That Works at Earth Temperature)

Pesquisadores descobriram um material que superconduz numa temperatura significativamente mais quente do que o ambiente mais frio da terra. Isso deve inaugurar uma nova era de pesquisa em supercondutividade.

       No ano passado, Mikhail Eremets e colaboradores fizeram uma afirmação extraordinária que o sulfeto de hidrogênio (H₂S) superconduz à temperatura de -70 °C. Isso é cerca de 20 graus mais quente do que qualquer outro material já descoberto. Na época, os físicos foram cautelosos sobre o trabalho. A história da supercondutividade está repleta de afirmações dúbias de atividade de alta temperatura que mais tarde acabam por ser impossível de reproduzir. Nos meses seguintes, Eremets e colaboradores trabalharam duro para reunir as peças finais de provas conclusivas.

Existem essencialmente três características que os físicos procuram como prova de que um material é um supercondutor convencional. A primeira é uma súbita queda na resistência elétrica, quando o material é arrefecido abaixo de sua temperatura crítica. A segunda é a expulsão dos campos magnéticos de dentro do material, um fenômeno conhecido como efeito Meissner. A terceira é uma mudança na temperatura crítica quando átomos do material são substituídos por isótopos. Isso porque a diferença de massa isotópica faz com que a estrutura vibre de forma diferente, o que muda a temperatura crítica.

       Mas há outro tipo de supercondutividade que é muito menos compreendida. Trata-se de certas cerâmicas descobertas na década de 1980 que superconduzem à temperaturas de cerca de -110 °C, denominadas high-T_C (alta temperatura crítica). Ninguém sabe exatamente como isso funciona, mas grande parte da pesquisa científica atual em supercondutividade tem incidido sobre estes materiais exóticos.

       Os trabalhos de Eremets e colaboradores talvez mudem isso. A maior surpresa sobre sua descoberta é que ela não envolve um supercondutor de alta temperatura. Em vez disso, o H₂S é um supercondutor convencional do tipo que nunca tinha sido visto trabalhando a temperaturas superiores a 40 K. Eremets e sua equipe submeteram o material a pressões extremamente elevadas, equivalentes àquelas do centro da Terra. Ao mesmo tempo, eles conseguiram encontrar evidências de todas as características importantes da supercondutividade.

       Enquanto o trabalho experimental avança, os teóricos coçam a cabeça para explicar isso. Muitos físicos acreditavam que havia alguma razão teórica para supercondutores convencionais não funcionarem acima de 40 K. Mas, na verdade, não há nada na teoria que impede a supercondutividade a temperaturas mais elevadas.

       De fato, na década de 1960, o físico britânico Neil Ashcroft previu que o hidrogênio seria supercondutor a altas temperaturas em pressões elevadas, talvez até mesmo à temperatura ambiente. Sua ideia era que o hidrogênio é tão leve que deve constituir uma estrutura capaz de vibrar em frequências muito elevadas e, portanto, de supercondutores a altas temperaturas e altas pressões.

       A descoberta de Eremets parece ser uma demonstração dessa ideia. Ou, pelo menos, algo parecido. Existem numerosos aspectos teóricos que precisam ser resolvidos antes de os físicos afirmarem que possuem uma compreensão adequada do que está acontecendo. Este trabalho teórico está em curso.

       Agora, a corrida é para encontrar outros supercondutores que funcionem a temperaturas ainda mais elevadas. Um candidato promissor é o H₃S. E, claro, os físicos estão começando a pensar sobre as aplicações. Existem inúmeros desafios na exploração deste material, não menos importante, porque ele existe em forma supercondutora apenas em pequenas amostras dentro de bigornas em alta pressão. Mas isso não impediu as especulações. “Esta descoberta é relevante não só na ciência dos materiais e matéria condensada, mas também em outras áreas que vão desde computação quântica à física quântica da matéria viva”, dizem Bianconi e Jarlborg.

Fonte1: http://www.technologyreview.com/view/542856/the-superconductor-that-works-at-earth-temperature/

Fonte2: arxiv.org/abs/1510.05264