A pressão é desligada e a supercondutividade de alta temperatura continua

 

por Nicole Johnson, University of Houston

 

Paul Chu (à direita) é o Diretor Fundador e Cientista Chefe do Texas Center for Superconductivity at the University of Houston (TcSUH). Liangzi Deng (à esquerda) é professor assistente de pesquisa física no TcSUH. Crédito: Universidade de Houston.

 

O diretor do Texas Center for Superconductivity, Paul Chu, juntamente com sua equipe, desenvolveu uma técnica que consiste em preservar a fase supercondutora de alta temperatura mesmo após a remoção da pressão que induziu o surgimento da fase.

Pengcheng Dai, professor de física e astronomia da Rice University, e seu grupo, contribuíram para demonstrar com sucesso a possibilidade da técnica de arrefecimento por pressão em um modelo supercondutor de alta temperatura , o seleneto de ferro (FeSe). Os resultados foram publicados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences .

“Nós derivamos o método de extinção de pressão da formação do diamante artificial a partir da grafite por Francis Bundy e de outros compostos metaestáveis”, disse Chu. “O grafite se transforma em diamante quando submetido a alta pressão em altas temperaturas. O subsequente resfriamento rápido da pressão, ou remoção da pressão, deixa a fase de diamante intacta sem pressão.”

Chu e sua equipe aplicaram esse mesmo conceito a um material supercondutor com resultados promissores.

“O seleneto de ferro é considerado um supercondutor simples de alta temperatura com uma T_c = 9K à pressão ambiente”, disse Chu.

“Quando aplicamos pressão, a T_c aumentou para ~ 40K, mais do que quadruplicando o valor, permitindo-nos distinguir inequivocamente a fase PQ (pressure-quench) supercondutora da fase não-PQ original. Em seguida, tentamos conservar a fase supercondutora de alta T_c  após a remoção da pressão usando o método PQ, e descobrimos que podemos”.

A conquista do Dr. Chu e seus colegas leva os cientistas um passo mais perto de realizar o sonho da supercondutividade à temperatura e pressão ambiente, recentemente relatada em hidretos apenas sob pressão extremamente alta.

Para operar um dispositivo supercondutor, é necessário resfriá-lo abaixo de sua temperatura crítica (T_c), o que requer energia. Quanto maior for a T_c, menos energia será necessária. Portanto, aumentar a T_c até a temperatura ambiente tem sido a força motriz dos cientistas na pesquisa da supercondutividade desde sua descoberta.

Desafiando a crença de que a T_c não poderia exceder 30K, Paul Chu e colegas descobriram em 1987 a supercondutividade com uma T_c = 93K em uma nova família de compostos. A T_c tem sido continuamente elevada a 164K por Paul Chu e outros grupos de cientistas. Recentemente, uma T_c de 287K foi obtida por Dias e colaboradores da Universidade de Rochester no sistema sulfeto de hidrogênio-carbono sob 267 gigapascal (GPa).

“Nosso método permite fazer o material supercondutor com maior T_c sem pressão. Não há razão para que a técnica não possa ser aplicada igualmente aos hidretos que mostraram sinais de supercondutividade com uma T_c próxima da temperatura ambiente”.

Fonte: https://phys.org/news/2021-07-pressure-high-temperature-superconductivity.html

 

Mais informações:

Liangzi Deng et al, Pressure-induced high-temperature superconductivity retained without pressure in FeSe single crystals, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2108938118.

Filmes finos exibem supercondutividade de alta temperatura (Thin Films Become Superconductive At Higher Temperatures)

 

Este filme fino à base de ferro conduz eletricidade a 35 °C acima do zero absoluto, sem a necessidade de dopagem.

 

Pesquisadores no Japão descobriram uma transição para o estado supercondutor em um filme fino de ferro e selênio a uma temperatura muito acima do zero absoluto, um potencial ganho para o campo da supercondutividade.

       Eles também conseguiram desvendar o mecanismo pelo qual isto ocorre: a acumulação de elétrons em uma densidade extremamente elevada sobre a superfície da película. A alta temperatura no qual a transição ocorre, -238 °C ou 35 °C acima do zero absoluto, amplia a gama de possíveis experiências e das aplicações em supercondutividade.

       Além disso, os pesquisadores mostraram que o filme de seleneto de ferro de aproximadamente dez nanômetros de espessura exibe uma temperatura de transição de 35 K, quatro vezes maior que a temperatura para o mesmo tipo de película com uma espessura de 110 nm.

       “Nós usamos um transistor de camada dupla com uma tensão de 5,5 V aplicados em filmes finos epitaxiais de FeSe para induzir o estado supercondutor”, disse Hidenori Hiramatsu, co-autor da pesquisa.

       “Descobrimos que os elétrons tinham se acumulado a um nível muito elevado no canal FeSe, o que causou a transição de alta temperatura para a supercondutividade. O fato de filmes finos de FeSe mudarem de isolante para supercondutor a 35 K significa que podemos examinar a indução de supercondução sem ter que realizar a dopagem com impurezas, que podem degradar a estrutura do material e os portadores de carga”, afirma o principal autor do estudo, Kota Hanzawa.

       “Nós agora devemos ser capazes de determinar a mais alta temperatura absoluta em que a transição para a supercondutividade pode ocorrer. Isso pode beneficiar pesquisas e aplicações em todo o nosso campo”.

Fonte1: http://www.asianscientist.com/2016/05/in-the-lab/superconductivity-high-temperature-fese/

Fonte2: http://www.pnas.org/content/113/15/3986

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

Supercondutor à base de ferro tem uma temperatura crítica superior ao nitrogênio líquido (Iron superconductor has a critical temperature above liquid nitrogen)

Influência de um campo magnético externo na resistência nula detectada nas medidas de transporte com o método das quatro pontas em uma amostra de FeSe/STO.

Um filme de camada única de um supercondutor à base de ferro apresentou temperatura crítica superior a do nitrogênio líquido (N_2(l)). Supercondutores refrigerados com N_2(l) são muito mais baratos de operar do que aqueles que necessitam de temperaturas mais baixas.

        Experiências recentes sobre filmes de FeSe crescidos em um substrato de SrTiO₃ (STO) sugerem que efeitos de interface podem ser utilizados como um meio para alcançar supercondutores com temperaturas críticas (T_C) de até 80 K. Isto é cerca de dez vezes a T_C do FeSe e superior ao valor recorde de 56 K para supercondutores à base de Fe.

Crescimento e caracterização de uma película de camada única de alta qualidade do FeSe.

Juntamente com recentes estudos da supercondutividade em interfaces de heteroestruturas, estes resultados reacendem a ideia de longa data que o emparelhamento de elétrons nas interfaces entre dois materiais diferentes podem ser adaptadas para alcançar a supercondutividade de alta temperatura.

Medidas de Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES – espectroscopia de fotoemissão com resolução angular – tradução livre) do sistema FeSe/STO revelaram uma estrutura eletrônica distinta do FeSe, com um gap de energia desaparecendo em torno de 65 K. No entanto, as medidas de transporte elétrico detectaram resistência zero somente abaixo de 30 K. Agora, pesquisadores relataram a observação da supercondutividade acima de 100 K no sistema FeSe/STO, confirmando-o como um material para o estudo da supercondutividade de alta Tc.

Fonte1: http://nextbigfuture.com/2014/11/iron-superconductor-has-critical.html

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4153.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