Nesta representação
artística, um pulso magnético (direita) e de raios-X de luz laser (à esquerda)
convergem para um supercondutor de alta temperatura para estudar o
comportamento de seus elétrons. (SLAC
National Accelerator Laboratory)
Pesquisadores
do Departamento de Energia dos EUA e do SLAC
National Accelerator Laboratory combinando poderosos pulsos magnéticos
com alguns dos mais brilhantes raios-x do planeta, descobriram um surpreendente
arranjo 3-D de elétrons em um supercondutor de alta temperatura.
Esta reviravolta inesperada é um marco
importante na jornada de 30 anos para entender melhor como materiais supercondutores
de alta temperatura conduzem eletricidade sem resistência a temperaturas centenas
de graus centígrados acima dos supercondutores convencionais.
O estudo também resolve uma aparente incompatibilidade
em dados experimentais e traz um novo rumo para o completo mapeamento do
comportamento dos elétrons sob diferentes condições nestes materiais exóticos.
Os pesquisadores têm um objetivo final de ajudar na concepção e desenvolvimento
de novos supercondutores que funcionam em temperaturas mais quentes.
Física “Totalmente inesperada”
“Isso foi totalmente
inesperado, e também muito emocionante. Este experimento identificou um novo
ingrediente a considerar neste campo de estudo. Ninguém tinha visto esta imagem
3-D antes”, disse Jun-Sik Lee, um cientista do SLAC e um dos líderes do experimento.
“Este é um passo importante na compreensão da física
dos supercondutores de alta temperatura”.
A nova onda de supercondutividade
O
efeito 3-D que os cientistas observaram em um material supercondutor conhecido
como YBCO (óxido de ítrio, bário e cobre), é um tipo recentemente descoberto de
“onda densidade de carga” (charge density
wave). Esta onda não tem o movimento de oscilação de uma onda de luz ou uma
onda sonora; ela descreve um arranjo estático e ordenado de aglomerados de
elétrons em um material supercondutor. Sua coexistência com a
supercondutividade é desconcertante para os pesquisadores porque parece entrar
em conflito com os pares de elétrons que se movem livremente que definem a
supercondutividade.
A versão 2-D dessa onda foi vista pela
primeira vez em 2012 e tem sido estudada extensivamente. O recente experimento LCLS revelou uma
versão separada 3-D que aparece mais forte do que a forma 2-D e intimamente
ligada tanto ao comportamento 2-D como com a supercondutividade do material.
O experimento levou vários anos para ser
feito e exigiu a experiência internacional para preparar amostras especializadas
e construir um poderoso ímã que produziu pulsos magnéticos compactados de
milésimos de segundo. Cada pulso era 10-20 vezes mais forte do que aqueles em uma
típica máquina de ressonância magnética.
A poderosa combinação de magnetismo e luz
Esses
pulsos magnéticos curtos e intensos suprimiram a supercondutividade nas
amostras de YBCO e forneceu uma visão mais clara dos efeitos da onda de
densidade de carga. Eles foram imediatamente seguidos em intervalos precisamente
cronometrados por pulsos de laser de raios-x, o que permitiu aos cientistas
medir os efeitos de onda.
“Esta experiência é uma maneira completamente nova de usar o LCLS que abre a porta para uma nova classe de experimentos futuros”,
disse Mike
Dunne, diretor do LCLS.
“Eu estava
animado com este experimento há muito tempo”, disse Steven
Kivelson, um professor de física da Universidade de Stanford que contribuiu
para o estudo e tem pesquisado supercondutores de alta temperatura desde 1987.
Kivelson
disse que o experimento estabelece limites muito claros sobre a temperatura e a
intensidade do campo magnético no qual o efeito 3-D recém-observado emerge. “Não há nada vago sobre isso”, disse ele. “Você agora pode fazer uma declaração definitiva: Neste
material existe uma nova fase”.
O experimento também acrescenta peso à
evidência crescente de que ondas de densidade de carga e supercondutividade “podem ser pensados como dois lados da
mesma moeda”, acrescentou.
Em busca de links comuns
Mas
também está claro que o YBCO é incrivelmente complexo, e um mapa mais completo
de todas as suas propriedades é necessário para chegar a qualquer conclusão
sobre o que mais importa para a sua supercondutividade, disse Simon Gerber e
Hoyoung Jang, principais autores do estudo.
Experimentos adicionais são necessários
para fornecer uma visualização detalhada do efeito 3-D, e para saber se o
efeito é universal em todos os tipos de supercondutores de alta temperatura,
disse Wei-Sheng Lee, que contribuiu com o estudo. “As
propriedades deste material são muito mais ricas do que pensávamos”,
disse Lee. “Continuamos a fazer novas e surpreendentes observações
à medida que desenvolvemos novas ferramentas experimentais”, acrescentou
Zhu.
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