Uma rota para desenvolver nanodispositivos supercondutores (A route to developing superconducting nano-devices)

Ferro (Fe) círculos verdes, selênio (Se) círculos azuis. A temperatura de transição supercondutora é sintonizada através da introdução de elétrons por deposição de átomos de potássio K (círculos laranja) na superfície. Círculos amarelos representam um par de elétrons supercondutores (par de Cooper). (Imagem: Takashi Takahashi)

    

Um grupo de pesquisa da Universidade de Tohoku conseguiu fabricar um filme supercondutor atomicamente fino de alta temperatura crítica (T_C = 60 K ou -213 °C). A equipe, liderada pelo professor Takashi Takahashi, também estabeleceu o método para controlar/sintonizar a T_C.

Esta descoberta não só fornece uma plataforma ideal para investigar o mecanismo da supercondutividade no sistema bidimensional, mas também abre o caminho para o desenvolvimento de dispositivos supercondutores em nanoescala da próxima geração. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature Materials (clique aqui).

Supercondutores são considerados como um dos candidatos mais promissores para os dispositivos eletrônicos avançados da próxima geração. Porém, a aplicação de supercondutores em dispositivos tem sido muito difícil. O maior obstáculo é a necessidade de um sistema de refrigeração grande e dispendioso com hélio líquido, devido à baixa T_C dos supercondutores convencionais, que é próxima do zero absoluto (0 K ou -273 °C). Também tem sido um grande desafio realizar a integração de alta densidade de supercondutores em dispositivos eletrônicos. A fim de ultrapassar estes problemas, é definitivamente necessário desenvolver um novo supercondutor com T_C superior que possa ser fabricado numa película fina.

A equipe de pesquisa da Universidade de Tohoku voltou sua atenção para o seleneto de ferro (FeSe), que é um membro dos supercondutores à base de ferro. Enquanto a T_C do FeSe é de apenas 8 K (-265 °C), a assinatura de uma maior T_C tem sido sugerida em filmes ultrafinos e sua verificação foi urgentemente necessária.

Inicialmente, os pesquisadores fabricaram filmes atomicamente finos de FeSe de alta qualidade. Os filmes possuem espessura entre uma monocamada (que corresponde a 3 átomos de espessura) e vinte monocamadas (60 átomos de espessura), e foram fabricados usando a técnica Molecular Beam Epitaxy (MBE – feixe molecular epitaxial). Em seguida, eles investigaram cuidadosamente a estrutura eletrônica dos filmes finos usando o método Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES - espectroscopia de fotoemissão com resolução angular).

Elétrons são emitidos a partir da superfície pela incidência de luz ultravioleta. A estrutura eletrônica do cristal é determinada através da medição da energia e o ângulo de emissão dos elétrons. (Imagem: Takashi Takahashi)

Nas medidas da ARPES, os investigadores observaram a abertura de um gap supercondutor a baixa temperatura, que é uma prova direta da emergência da supercondutividade nos filmes. Os investigadores encontraram que a T_C estimada a partir do gap em um filme de monocamada é surpreendentemente elevada (acima de 60 K), que é cerca de 8 vezes maior do que a T_C de amostras volumétricas do FeSe.

Enquanto filmes multicamadas não mostram supercondutividade, os pesquisadores descobriram um novo método para depositar átomos alcalinos sobre os filmes e controlar a densidade de elétrons no filme. Ao empregar este método, os pesquisadores conseguiram converter os filmes multicamadas de não-supercondutores em supercondutores de alta T_C ~ 50 K.

O resultado dá um grande impacto para ambas as pesquisas básicas e aplicadas em supercondutores. Pode conduzir à intensas pesquisas visando aumentar ainda mais a T_C, alterando o número de camadas atômicas, a quantidade de elétrons dopados e as espécies do substrato. Abre uma via para o desenvolvimento de um nanodispositivo supercondutor que consiste em partes de tamanho atômico. O supercondutor ultrafino de alta-T_C pode contribuir eficazmente para o redimensionamento significativo e consequente integração de alta densidade em circuitos elétricos, levando à realização de dispositivos eletrônicos de futura geração com alta economia de energia e operação de ultra-alta velocidade.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40278.php

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4302.html

Encontrada a “impressão digital” dos supercondutores de alta temperatura (High-temperature superconductor 'fingerprint' found)

“Impressão digital” distinguindo flutuações de spin antiferromagnéticas de flutuações de fônons no LiFeAs. Fonte: http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1402/1402.3714.pdf

Pesquisadores podem ter encontrado a resposta para um grande desafio em física da matéria condensada: identificar o porquê ocorre a supercondutividade ‘não convencional’. Eles isolaram uma “impressão digital” que identifica flutuações específicas que força os elétrons em pares, tornando o material um supercondutor de alta temperatura.

       A supercondutividade supera a repulsão que ocorre naturalmente entre os elétrons, quantificada pela lei de Coulomb, que normalmente impede seu emparelhamento. Em supercondutores ‘convencionais’, isto é, metais que permitem que os elétrons fluam sem resistência a temperaturas muito próximas do zero absoluto, há bom entendimento do por que acontece a supercondutividade. Nesse caso, o emparelhamento de elétrons é dirigido pela troca de vibrações na estrutura cristalina do material, que se tornam suficientemente fortes para superar a repulsão de Coulomb. Esse mecanismo só funciona em temperaturas extremamente frias em que os elétrons se movem muito lentamente.

       Cerca de três décadas atrás, os físicos começaram a estudar os supercondutores ‘não convencionais’, que 'superconduzem' a temperaturas 100 vezes maior. Isso ainda não é próximo da temperatura ambiente de nenhum lugar, mas o mecanismo do por que isso acontece a tais temperaturas relativamente elevadas é um mistério de longa data, e com profundas implicações para a física quântica.

       Em artigo na Nature Physics, o princípio geralmente aceito que a equipe provou é que pequenos jiggles (‘sacudidas’) de padrões de spin dos elétrons, chamados de flutuações de spin, são o que fazem com que os elétrons formem pares. Nestes supercondutores não convencionais, os elétrons tendem a formar antiferromagnetos, o que significa que os elétrons, visualizadas como pequenos ímãs, tendem a alinhar os polos opostos. Esta tendência, anterior ao início do ordenamento antiferromagnético, provoca jiggles dos spins, com o sistema inteiro querendo formar um padrão fixo.

       O fato dessas flutuações de spin poder fornecer emparelhamento de elétrons foi suspeitado muitas vezes, mas provar tem sido um grande desafio, explicou Eun-Ah Kim, professora de física.

“Os métodos usados para metais simples como o alumínio não servem para os supercondutores de altas temperaturas”, disse ela. Isto é particularmente verdadeiro para uma nova classe de supercondutores convencionais à base de ferro, porque estes materiais são os chamados sistemas de banda múltipla. Isso significa que os elétrons com uma determinada energia pode ter vários valores diferentes do momentum com velocidades radicalmente diferentes.

       A equipe de Kim descobriu como medir a mudança nas energias dos elétrons em momentums particulares no sistema de multibanda devido à influência das flutuações de spin, baseando-se em princípios como a conservação do momentum e da energia - o mesmo princípio que se aplica para as trajetórias de colisão de bolas de bilhar.

       Através de cálculos, eles diferenciaram com êxito a ‘impressão digital’ de flutuações de spin, que é distinta da impressão digital de vibrações da rede que iria se manifestar em uma medição de energia-momentum. A equipe empregou uma técnica de medição de energia-momentum chamada quasiparticle interference imaging, iniciada pelo grupo do professor Seamus Davis, para confirmar a impressão digital das flutuações de spin em supercondutores de arsênico ferro-lítio.

       “A abordagem que adotamos pode levar a aplicações mais amplas e formas de confirmar a ideia”, diz Kim. “O conceito de flutuações antiferromagnéticas mediadoras da supercondutividade não pode ser provada rigorosamente teoricamente; é um desafio que exige experiência e teoria trabalhando juntos”.

Fonte1: http://news.cornell.edu/stories/2015/01/high-temperature-superconductor-fingerprint-found

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n2/full/nphys3187.html

Materiais combinados aumentam a temperatura de supercondutores (Study at SLAC Explains Atomic Action in High-Temperature Superconductors)

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.

Fonte1: https://www6.slac.stanford.edu/news/2014-11-12-study-slac-explains-atomic-action-high-temperature-superconductors.aspx

 Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/v515/n7526/full/nature13894.html

Isolante topológico supercondutor (topological insulator goes superconducting)

Esquerda: filmes ultrafinos de Bi₂Se₃ epitaxialmente crescido na superfície (0001) do supercondutor monocristalino 2H-NbSe₂ usando a técnica de epitaxia de feixe molecular (molecular beam epitaxy technique). Centro: curvas de intensidade ARPES e mapa de dispersão ARPES de alta resolução do filme Bi₂Se₃ sobre NbSe₂ depois de "destapar" usando uma energia de fóton incidente de 50 eV (no detalhe). Direita: a direção da polarização de spin dos elétrons no nível de Fermi do supercondutor Bi₂Se₃. Cortesia: S-Y Xu

Físicos dos EUA e Taiwan dizem que encontraram a primeira evidência da supercondutividade no isolante topológico seleneto de bismuto graças às novas observações espectroscópicas. A descoberta não é apenas de fundamental importância para uma série de teorias de física da matéria condensada e de partículas, mas pode até ser explorada para construir no futuro qubits topológicos tolerantes a falhas.

Isolantes topológicos são materiais artificialmente construídos isolantes no volume da amostra, mas que podem conduzir eletricidade na superfície. Uma equipe de pesquisadores liderada por Zahid Hasan, da Universidade de Princeton, usando a técnica angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), afirmam ter visto o “emparelhamento de Cooper” (a marca registrada da supercondutividade) nos elétrons que se encontram na superfície do isolante topológico Bi₂Se₃. ARPES é uma das formas mais diretas de estudar a estrutura eletrônica e supercondutividade em sólidos.

Supercondutividade é um fenômeno coletivo no qual os elétrons se movem em direções opostas superando a repulsão eletrostática para formar pares de Cooper abaixo de uma certa temperatura de transição. Estes pares podem condensar em um único estado quântico e mover-se sem resistência elétrica através do material supercondutor.

“Em supercondutores convencionais, elétrons de condução que se deslocam ao longo de uma determinada direção têm seus spins em ambas as direções, ‘up’ e ‘down’, e os dois tipos de elétrons podem emparelhar-se”, explica o membro da equipe Su-Yang Xu, também de Princeton. “Isolantes topológicos são diferentes. Os elétrons se movendo em uma direção deverão ter apenas elétrons com spin-up disponíveis para emparelhar-se, e aqueles que se movem na direção oposta só tem elétrons spin-down disponíveis. É por isso que as superfícies de isolantes topológicos são também chamadas de ‘half-Dirac-gas’ porque apenas metade dos elétrons está disponível para contribuir com a corrente elétrica de resistência zero. Além disso, as fortes interações dos pares de Cooper que existem em alguns supercondutores estão ausentes em isolantes topológicos e a supercondutividade nestes sistemas existe em um estado ‘fracamente interagente’. Fracamente interagente nesse contexto, significa que os elétrons não se repelem fortemente.”

Emparelhamento helicoidal de Cooper

Os pesquisadores mediram a energia cinética e a direção de spin dos elétrons ejetados de uma amostra de Bi₂Se₃ em um substrato de seleneto de nióbio (NbSe₂). “O processo de fotoemissão nos fornece informações extremamente úteis sobre a estrutura eletrônica e propriedades de um material”, diz Xu, “e a técnica com resolução de spin fornece informações adicionais sobre como são configurados os spins dos elétrons no material”.

Graças às temperaturas ultrabaixas em que realizaram os experimentos, Hasan e seus colegas dizem que eles foram capazes de observar pela primeira vez o “emparelhamento helicoidal de Cooper” em um sistema eletrônico de Dirac, fazendo uso de uma coisa chamada momentum-resolved Bogoliubov quasiparticle spectrum do isolante topológico quando é colocado sobre um substrato de um supercondutor convencional como o NbSe₂.

Férmions de Majorana e outra física exótica

A teoria prevê que partículas chamadas férmions de Majorana (partículas que são suas próprias antipartículas) poderiam ser feitas através da combinação de um supercondutor convencional com um isolante topológico. Uma série de outros aspectos fundamentais da física exótica também pode estar à espreita em tais estados de superfície no estado sólido.

Férmions de Majorana são previstos em física de alta energia, mas ainda não foram observados em experimentos de física de partículas. “Se eles forem encontrados na matéria condensada, como em um supercondutor topológico tipo half-Dirac-gas, eles podem ser usados para construir o famoso qubit topológico - o que nos ajudaria a fazer um computador quântico tolerante a falhas”, diz Xu. Isto porque férmions de Majorana - ao contrário dos familiares férmions de Dirac, como os elétrons - obedecem as “estatísticas não-Abelianas” e assim devem ser robustos ao ruído ambiental de fundo. Férmions de Majorana poderiam armazenar e transmitir informação quântica sem perturbação externa, o que é um dos principais desafios para quem tenta construir hoje um computador quântico prático e tolerante a falhas.

Testando a física de alta energia no estado sólido?

A supersimetria (outra teoria da física de alta energia) é outro exemplo interessante que ainda tem que ser testada em aceleradores de partículas. “Aqui, os bósons (partículas de spin inteiro) e férmions (partículas de spin semi-inteiro) podem ser convertidos um no outro em altas energias. Teóricos da matéria condensada dizem que ambas, a supersimetria e os férmions de Majorana, podem ser produzidos na mesma configuração do estado sólido - como o ‘spin-momentum locked’ half-Dirac gas que temos estudado”.

Até agora, todas as reivindicações de ver férmions de Majorana foram em sistemas de isolantes não-topológicos, mas um isolante topológica de Majorana seria uma partícula muito robusta, de longa duração.

Estimulado por suas observações, a equipe diz que agora está planejando uma técnica híbrida de espectroscopia de fotoemissão (combinação de espectroscopia de tunelamento e de transporte elétrico) para procurar um férmion de Majorana, e mais importante, as partículas de supersimetria (SUSYs) no componente helicoidal isolado dos pares de Cooper estudados no presente trabalho.

Embora nossos dados atuais não forneçam qualquer evidência para a supersimetria, esta é uma emocionante - e alguns diriam ambiciosa - direção futura que esperamos prosseguir graças a nossa identificação do emparelhamento helicoidal de Cooper, diz Xu.

A pesquisa está detalhada no artigo da Nature Physics.

Fonte1: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59246

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3139.html

Acoplamento elétron-boson em supercondutores de alta Tc (a quick look at electron-boson coupling)

 Espectro trARPES do sistema Bi2212 dopado mostra a intensidade da fotoemissão antes (t= −1 ps) e depois (t=1 and t=10 ps) do bombeamento. As setas marcam a posição de uma torção (dobra) que significa o acoplamento dos elétrons com bósons.

        Imagine ser capaz de sintonizar as propriedades de um material sólido com um piscar dos pulsos de luz em que, por exemplo, um isolante transforma-se em um supercondutor. Isso é apenas um potencial do fenômeno físico de elétrons e átomos interagindo com pulsos de luz ultracurtos. A tecnologia da espectroscopia ultrarrápida é a chave para a compreensão deste fenômeno e agora um novo aspecto foi introduzido por pesquisadores do Berkeley Lab.

        Em um estudo conduzido por Alessandra Lanzara, a espectroscopia trARPES foi usada para medir diretamente a resposta ultrarrápida da auto-energia dos elétrons - uma quantidade fundamental usada para descrever interações de “muitos corpos” em um material - a foto-excitação com luz infravermelha em um supercondutor de alta temperatura. Os resultados demonstraram uma ligação entre os fenômenos de acoplamento elétron-bóson e a supercondutividade. O bóson pode ser uma partícula que transmite força, como um fóton, ou partícula composta de matéria, um núcleo atômico.

        “Abaixo da temperatura crítica do supercondutor, excitações ultrarrápidas provocam uma diminuição síncrona da auto-energia do elétron e o gap supercondutor que continua até o gap ser extinto”, diz Lanzara. “Acima da temperatura crítica do supercondutor, o acoplamento elétron-bóson foi insensível às excitações ultrarrápidas. Estes resultados abrem um novo caminho para o estudo de efeitos de auto-energia e de correlação transitórios em sólidos, como a supercondutividade.”

Alessandra Lanzara e Wentao Zhang usaram a espectroscopia trARPES (time- and angle-resolved photoemission spectroscopy) para demonstrar um link entre o acoplamento elétron-bóson e a supercondutividade de alta temperatura em um cuprato. Crédito: Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab

O estudo de elétrons e átomos interagindo com intensos pulsos ópticos ultracurtos é um campo emergente da física. A ARPES tem sido a técnica de longa data escolhida para estudar a estrutura eletrônica de um material. Nesta técnica, os feixes de luz ultravioleta ou raios-X que atingem a superfície ou interface de um material causam uma fotoemissão de elétrons em ângulos e energias cinéticas que podem ser medidos para revelar informações detalhadas sobre as estruturas de banda do material. Embora extremamente poderoso, à ARPES falta o elemento temporal necessário para estudar a dinâmica estrutural da banda.

        Lanzara acrescentou o elemento temporal necessário em seu estudo trARPES. Aplicaram esta técnica a um material conhecido como Bi2212, um composto de bismuto (Bi), estrôncio (Sr), cálcio (Ca) e óxido de cobre (CuO₂), que é considerado um dos mais promissores supercondutores de alta temperatura crítica. Eles energizaram as amostras de Bi2212 com pulsos de luz laser de fentosegundo no infravermelho próximo, então sondaram os resultados com pulsos de luz laser ultravioleta de fentosegundo. O tempo de atraso entre os pulsos da bomba e da sonda foi controlado com precisão de modo que o acoplamento elétron-bóson e o gap supercondutor pudessem ser rastreados ao mesmo tempo.

        “Em cupratos como o Bi2212, há uma torção (dobra) conhecida no padrão de fotoemissão que significa o acoplamento dos elétrons com bósons”, diz Zhang, principal autor do artigo. “No entanto, tem sido muito debatido se esta torção está relacionada de alguma forma com a supercondutividade. Nossos resultados mostram que sim.”

Fonte1: Ultra fast quenching of electron–boson interaction and superconducting gap in a cuprate superconductor. Nature Communications 5, Article number: 4959. doi:10.1038/ncomms5959.

Fonte2: http://newscenter.lbl.gov/2014/10/06/a-quick-look-at-electron-boson-coupling/

 

Fonte3: http://phys.org/news/2014-10-quick-electron-boson-coupling-ultrafast-spectroscopy.html