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.”
