Os físicos encontraram pistas sobre as origens da supercondutividade de alta temperatura (Physicists find clues to the origins of high-temperature superconductivity)

Conversão entre correlações de elétrons incoerentes e coerentes nos estados não supercondutor e supercondutor de cupratos, respectivamente. Crédito: Li et al. Nature Communications.

Desde a descoberta dos cupratos em 1986, têm havido confusão entre os pesquisadores. Os cupratos possuem temperaturas críticas de até 138K à pressão ambiente, o que excede a de outros supercondutores e é ainda maior do que o que se pensava possível com base na teoria.

Agora, em um novo estudo, os pesquisadores descobriram a existência de um ciclo de feedback positivo que aumenta a supercondutividade dos cupratos e pode lançar luz sobre as origens da supercondutividade de alta temperatura - considerada uma das questões mais importantes abertas na física.

O mecanismo decorre do fato de que os elétrons (no cuprato) no estado não supercondutor estão correlacionados de forma diferente do que na maioria dos outros sistemas, inclusive em supercondutores convencionais, que possuem correlações de elétrons fortemente coerentes. Em contrapartida, os cupratos em seu estado não supercondutor possuem correlações “metálico-estranhas” fortemente incoerentes, que são parcialmente removidas ou enfraquecidas quando os cupratos se tornam supercondutores.

Devido a estas correlações de elétrons incoerentes, acredita-se amplamente que o quadro que descreve a supercondutividade convencional - que se baseia na noção de quasipartículas - não pode descrever com precisão a supercondutividade dos cupratos. Na verdade, algumas pesquisas sugerem que os cupratos supercondutores possuem propriedades eletrônicas tão incomuns que, mesmo tentando descrevê-las com a noção de partículas de qualquer tipo, torna-se inútil.

Isso leva à questão de qual papel, se houver, as correlações “metálico-estranhas” desempenham na supercondutividade de alta temperatura?

O resultado principal do novo estudo é que essas correlações simplesmente não desaparecem no estado supercondutor em cupratos, mas sim converte-se em correlações coerentes que levam a um aprimoramento do emparelhamento de elétrons supercondutores. Este processo resulta em um ciclo de feedback positivo, no qual a conversão das correlações “metálico-estranhas” incoerentes em um estado coerente aumenta o número de pares de elétrons supercondutores, o que, por sua vez, leva a mais conversão, e assim por diante.

Os pesquisadores descobriram que, devido a este mecanismo de feedback positivo, a força das correlações de elétrons coerentes no estado supercondutor é sem precedentes, superando o que é possível para os supercondutores convencionais. Uma interação de elétrons tão forte também abre a possibilidade de que a supercondutividade nos cupratos possa ocorrer devido a um mecanismo de emparelhamento completamente não convencional - um mecanismo de emparelhamento puramente eletrônico que poderia surgir unicamente devido a flutuações quânticas.

“Nós descobrimos experimentalmente que as correlações de elétrons incoerentes no ‘estado normal’ do metal estranho são convertidas em correlações coerentes no estado supercondutor que ajudam a fortalecer a supercondutividade, com um loop de feedback positivo subseqüente”, afirma Dan Dessau, co-autor da pesquisa. “Um loop de feedback positivo tão forte deve fortalecer os mecanismos de emparelhamento mais convencionais, mas também pode permitir um mecanismo de emparelhamento verdadeiramente não convencional (puramente eletrônico)”.

Surpreendentemente, os pesquisadores também descobriram que poderiam descrever seus resultados experimentais usando uma abordagem semi-convencional de quase partículas, apesar do fato de que os cupratos se comportam de forma tão diferente dos outros materiais.

No futuro, os pesquisadores planejam investigar se este mecanismo de feedback positivo pode ser integrado em outros materiais, talvez levando a novos tipos de supercondutores de alta temperatura.

“Nós podemos procurar loops de feedback positivos semelhantes em materiais relacionados, e também podemos usar as técnicas recém-desenvolvidas baseadas em ARPES para investigar os detalhes das correlações eletrônicas de forma mais precisa”, disse Li.

Fonte: https://phys.org/news/2018-01-physicists-clues-high-temperature-superconductivity.html

Novo sistema para explorar a supercondutividade (New system for exploring superconductivity)

A descoberta, em 1986, de que um composto à base de cobre conduz eletricidade sem resistência a temperaturas muito mais altas do que os supercondutores convencionais abalou o mundo da física, pois parecia que o santo graal da supercondução à temperatura ambiente estava ao alcance. No entanto, desde a descoberta dos cupratos, a supercondutividade à temperatura ambiente parece um objetivo distante. Além disso, apesar de três décadas de esforço febril, os cientistas não compreendem completamente como os cupratos funcionam.

       Uma classe de materiais que poderia ajudar a desbloquear o mecanismo supercondutor dos cupratos é chamada isolante de Mott. De acordo com a convencional teoria de banda, esses materiais devem conduzir a eletricidade, mas as fortes interações entre seus elétrons fazem com que sejam isolantes. Contudo, eles podem exibir a supercondutividade pelo processo de dopagem com átomos específicos.

       Um dos principais enigmas envolvendo os cupratos (que são isolantes de Mott) é que eles se comportam de modo diferente a depender se eles são dopados com portadores de carga positiva ou negativa. Eles apresentam diferentes propriedades supercondutoras em diferentes condições de dopagem: dopantes com cargas positivas (‘buracos’) ou dopantes com cargas negativas. Os pesquisadores sondariam essa assimetria adicionando buracos ou elétrons a uma amostra, mas a complexa estrutura cristalina da maioria dos cupratos impede isso.

       Agora, Yoshitaka Kawasugi e seus colegas encontraram uma abordagem diferente - usando isolantes de Mott orgânicos em combinação com transistores de efeito de campo. A estrutura de banda mais simples desses cristais orgânicos torna mais fácil detectar a assimetria elétron-buraco. Além disso, podem ser dopados precisamente na mesma amostra aplicando um campo elétrico.

Os cálculos teóricos das propriedades elétricas de um isolante de Mott orgânico revelam que os efeitos assimétricos da dopagem podem agir como um degrau para a obtenção da supercondutividade a alta temperatura. (Imagem: Kazuhiro Seki, Laboratório de Física Computacional de Matéria Condensada RIKEN)

A equipe mediu como os elétrons se moviam no cristal em diferentes concentrações de buracos e de elétrons para várias temperaturas. Quando aplicaram um campo magnético, emergiu uma surpreendente assimetria - os ‘coeficientes Hall’, que quantificam as influências magnéticas, eram três vezes maiores no lado dopado com buracos.

“Quando vi essa assimetria pela primeira vez, achei que a experiência falhara”, lembra Kawasugi. “A dependência detalhada de doping também revelou que algo especial estava acontecendo”, observa.

       Cálculos teóricos ajudaram a descobrir a razão para esta anomalia – o excesso de doping com buraco provocou o estado de ‘pseudogap’. Esta é uma descoberta animadora uma vez que poderia indicar que a supercondutividade não está longe. “Pseudogaps podem ser precursores para o estado supercondutor se a temperatura de transição para o lado dopado com buraco for muito maior do que o caso dopado por elétrons”, diz Kawasugi. “A dopagem adicional de elétrons e buracos pode induzir essa supercondutividade não convencional”.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=45657.php

Fonte2: http://www.nature.com/articles/ncomms12356

O segredo quântico da supercondutividade (The Quantum Secret to Superconductivity)

Em um experimento notável, os físicos demonstraram detalhes de um “ponto crítico quântico” que subjaz a supercondutividade de alta temperatura.

O sistema magnético de 90 Tesla no Laboratório Nacional de Campos Magnéticos Intensos em Toulouse, França.

       Pesquisadores do Laboratório Nacional de Campos Magnéticos Intensos em Toulouse, França, descobriram uma propriedade fundamental dos cupratos, os supercondutores mais potentes conhecidos. As descobertas fornecem uma pista importante sobre o funcionamento interno destes materiais, e pode ajudar os cientistas a compreender como eles permitem que a eletricidade flua livremente a temperaturas relativamente elevadas.

       Os cientistas usaram um ímã de 90 Teslas (um campo magnético quase dois milhões de vezes maior que o da Terra), para momentaneamente interromper a supercondutividade em sua amostra. Isto revelou detalhes da fase subjacente a partir da qual o comportamento parece surgir.

       Os cientistas descobriram uma mudança brusca no comportamento que parece ser um “ponto crítico quântico” nos cupratos, que lembra o ponto de congelamento da água. Os teóricos há muito especulam que um ponto crítico quântico pode existir, e que poderia desempenhar um papel-chave na supercondutividade, disse Andrey Chubukov, um teórico da matéria condensada da Universidade de Minnesota. “Uma coisa é dizer isso; outra coisa é medi-la”, disse Chubukov.

Amostra do óxido de ítrio bário e cobre, um material que pertence à classe dos cupratos, os mais potentes supercondutores conhecidos.

       A força motriz da supercondutividade é mais forte nos cupratos. Nestes materiais, a supercondutividade ocorre em temperaturas mais elevadas do que em outros, sugerindo que seus elétrons estão emparelhados por uma ‘cola’ diferente e mais forte. Mas os cupratos ainda devem ser resfriados abaixo de -100 °C antes de se tornarem supercondutores. A ‘cola’ deve ser ainda mais reforçada se as temperaturas operacionais dos supercondutores aumentarem. Por 30 anos os cientistas perguntam: Qual é a cola - ou, mais precisamente, a interação mecânico-quântica entre os elétrons - que causa a supercondutividade nos cupratos?

       Enquanto a detecção de um ponto crítico quântico não responder definitivamente a essa pergunta, “isso realmente esclarece a situação”, disse Subir Sachdev, um teórico da matéria condensada da Universidade de Harvard. A descoberta derruba várias propostas para a ‘cola’ responsável pelo emparelhamento dos elétrons nos cupratos. “Existem agora dois candidatos de destaque para o que está acontecendo”, disse Sachdev.

       Um dos candidatos, se confirmado, deve entrar para os livros didáticos como um fenômeno quântico completamente novo, com um exotismo que atrai muitos teóricos. Mas se for verdade a explicação convencional da supercondutividade de alta temperatura, então, os cientistas saberão identificar imediatamente a chave que deve ser acionada para reforçar o efeito. Nesse caso, na busca da supercondutividade à temperatura ambiente, o caminho à diante seria claro.

Sob a redoma

Os pesquisadores Proust Cyril, Louis Taillefer e colaboradores, desenvolveram um mapa, um diagrama de fases, que representa a mistura de diferentes fases exibidas pelos materiais quando suas propriedades são variadas. Os dois extremos do mapa são bem compreendidos: cristais puros do cuprato. No lado esquerdo do mapa, eles agem como isolantes. No lado direito os cupratos dopados com elétrons extras ou “buracos” (déficits de elétrons que se comportam como partículas de carga positiva), se comportam como metais. “A questão fundamental é: como o sistema vai de isolante a metal?”, questiona Taillefer. Os cientistas se perdem no emaranhado de fases que ocorrem em níveis intermediários de dopagem - incluindo a supercondutividade, que se eleva como uma abóbada no meio do diagrama de fase.

O diagrama de fase dos cupratos dopados com buracos.

       O mapa oferece uma pista: uma linha inclinada para cima e à esquerda por cima da abóbada da supercondutividade, dividindo duas outras fases, de maior temperatura. Estender esta linha para baixo até baixas temperaturas, e atingir a base da abóbada no seu ponto central. Teóricos já suspeitavam que a natureza deste ponto pode ser a chave para a compreensão da supercondutividade, que parece formar uma bolha em torno dele.

Quinze anos atrás, Taillefer e Proust começaram a pensar sobre como investigar esse possível ponto crítico. O problema era que as duas fases que observaram a temperaturas mais elevadas, desapareceram quando a supercondutividade surgiu. A fim de investigar o que acontece durante a transição de uma fase para outra, a equipe teve que encontrar uma maneira de parar os elétrons no cupratos a partir da formação dos pares supercondutores na vizinhança do ponto crítico.

       Para fazer isso, os cientistas precisavam de um grande ímã. Os campos magnéticos destroem a supercondutividade, exercendo forças opostas sobre os elétrons em cada par supercondutor, quebrando a sua ligação. Mas a cola de emparelhamento em um cuprato supercondutor é mais forte, sendo mais difícil de quebrar. “Nos cupratos, o campo magnético necessário para interromper a supercondutividade é muito alto”, disse Proust.

Um ímã poderoso

       Ímãs só podem ser tão fortes quanto os materiais de que são feitos, que devem suportar enormes forças mecânicas geradas por tsunamis de eletricidade.

       O ímã de 90 Tesla no LNCMI em Toulouse funciona através do carregamento de um banco de 600 capacitores que descarregam todos de uma vez em uma bobina do tamanho de uma lata de lixo. A bobina é feita de uma liga de cobre ultraforte reforçada com Zylon, uma fibra mais forte do que o Kevlar. Por cerca de 10 milissegundos, a enchente de corrente gera um campo magnético poderoso que funciona através do furo da bobina. Embora o ímã LNCMI não se iguale à potência do magneto de 100-Tesla no Los Alamos National Laboratory, “somos capazes de fazer um pulso muito longo, duas vezes mais do que em Los Alamos”, permitindo medições mais precisas, disse Jérôme Beard.

       Quando os engenheiros construíram o ímã, colaboradores da University of British Columbia prepararam as amostras do cuprato chamado óxido de ítrio bário e cobre (YBa₂Cu₃O_y). Eles doparam as amostras com quatro diferentes concentrações de buracos, abrangendo ambos os lados em torno do hipotético ponto crítico. Depois de resfriar as amostras a -223 °C e de bombardear com pulsos magnéticos, destruindo momentaneamente a supercondutividade, mediram uma propriedade do material que indica o número de buracos por átomo que estão envolvidos no transporte de eletricidade. Normalmente, esta “densidade de portadores” aumenta gradualmente em função da dopagem. Mas em um ponto crítico, seria esperada uma mudança repentina, indicando uma reorganização espontânea dos elétrons no cristal. E foi isso que os cientistas mediram: um salto repentino de seis vezes a densidade dos portadores em 19% de dopagem, o local esperado do ponto crítico.

Ponto crítico quântico

O ponto crítico nos cupratos é um “ponto crítico quântico”, ou um ponto de equilíbrio entre dois estados quânticos em competição. O estado quântico que prevalece à esquerda do ponto crítico quântico no diagrama de fases faz com que os elétrons sejam “ordenados”, ou dispostos em um padrão. O efeito quântico que domina na direita faz com que os elétrons se movimentem livremente. Mas à medida que o sistema se aproxima do ponto crítico a partir da esquerda ou da direita, a quantidade de ordem no sistema começa a flutuar, devido à concorrência entre os dois estados. São estas flutuações de ordem que supostamente dão origem à supercondutividade na vizinhança do ponto crítico quântico. A questão é: Que tipo de ordem é?

Nos últimos cinco anos, os pesquisadores suspeitavam de um tipo de ordem conhecida como ondas de densidade de carga - essencialmente, ondulações das regiões excessivamente densas e subdensas de elétrons. Mas o novo experimento, bem como as recentes descobertas indicam que a onda de densidade de carga morre em um nível de dopagem menor, muito longe à esquerda do ponto crítico quântico. Agora, duas possibilidades principais permanecem.

       A opção mais convencional, proposta no final de 1980 por David Pines, Douglas Scalapino e outros teóricos, é o antiferromagnetismo, um tipo de ordem na qual os elétrons alternam suas direções de spin em um padrão de xadrez - cima, baixo, cima, baixo etc. Flutuações neste arranjo de xadrez perto do ponto crítico quântico faz os elétrons alinharem seus spins de maneira oposta sendo atraídos um pelo outro e se emparelham, dando origem à supercondutividade. Várias observações indiretas suportam a hipótese do antiferromagnetismo. De acordo com Chubukov, porque esta ordem seria esperada para definir um ponto crítico quântico, a nova descoberta é “o elo necessário” na explicação do antiferromagnetismo.

       Mas se o antiferromagnetismo simples era a resposta, os físicos teriam desvendado o caso décadas atrás. Experimentadores há muito tentaram e não conseguiram detectar a ordem antiferromagnética na fase do canto superior esquerdo da abóbada da supercondutividade. “O problema nos cupratos é que ninguém encontra qualquer ordem de longo alcance”, disse Stephen Julian, um físico experimental da matéria condensada da Universidade de Toronto. Quando experimentadores procuram o padrão quadriculado, eles não encontram.

       Contudo, os defensores da explicação antiferromagnética apontam para a estrutura cristalina dos cupratos, que são, essencialmente, folhas bidimensionais empilhadas. Além disso, há o conhecido teorema Mermin-Wagner, o qual afirma que uma verdadeira ordem antiferromagnética de longo alcance não pode se desenvolver em materiais bidimensionais a temperaturas diferentes de zero. Em vez disso, talvez apenas manchas de ordem desenvolva, como seções de tabuleiro de xadrez, e estas não podem ser detectadas com as técnicas experimentais existentes. A ordem antiferromagnética de longo alcance se verifica apenas em temperaturas baixas, dizem os proponentes. O problema é que o antiferromagnetismo fica sobreposto pela fase que provoca – a supercondutividade - e por isso não pode ser observado.

       Nem todo mundo pensa que o teorema Mermin-Wagner é relevante. Davis destaca que a ordem antiferromagnética foi detectada em cupratos não dopados, que têm a mesma estrutura bidimensional. A falta de ordem antiferromagnética vista até agora perto do ponto crítico levou alguns pesquisadores a abandonarem essa ideia e apoiar uma teoria mais exótica apresentada por Sachdev. Ele postula uma espécie de ordem nos cupratos que não é vista em outros materiais. Nesta ordem, os elétrons formam compostos que possuem frações de rotação e carga. Sachdev afirma que remanescentes dessa ordem, a qual ele apelidou de líquido de Fermi fracionado ou estado FL*, forma o precursor da supercondutividade de alta temperatura.

       Decidir se o ponto crítico quântico recém-descoberto está associado com o antiferromagnetismo ou algo mais incomum como a FL* deverá mais uma vez exigir ímãs poderosos. Os pesquisadores experimentais já estão trabalhando em maneiras de procurar o padrão quadriculado da ordem antiferromagnética a baixas temperaturas, enquanto usa pulsos magnéticos para interromper a supercondutividade que surge lá.

       Se o antiferromagnetismo for a cola dos elétrons nos cupratos, então os teóricos deverão imediatamente determinar por que a cola é muito mais forte nestes materiais do que em outros. O estado FL*, por outro lado, iria fornecer aos teóricos um novo conjunto de indicações. De qualquer maneira, muitos estão otimistas de que estão no caminho certo para aumentar as temperaturas de operação dos supercondutores. “Eu acho que ninguém acredita num limite fundamental que impede a supercondutividade à temperatura ambiente”, disse Stephen Julian. “O tempo nos dirá. Algumas pessoas acham que será logo, enquanto outras pensam que vai demorar muito”.

Fonte1: https://www.quantamagazine.org/20160222-mega-magnet-reveals-superconductor-secret/

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature16983.html

Usando campos magnéticos para entender a supercondutividade de alta temperatura (Using magnetic fields to understand high-temperature superconductivity)

Brad Ramshaw, cientista do Los Alamos National Laboratory (LANL) realiza um experimento no Pulsed Field Facility of the National High Magnetic Field Lab, expondo supercondutores de alta temperatura a campos magnéticos muito elevados, mudando a temperatura na qual os materiais se tornam supercondutores e revelando propriedades únicas destas substâncias. Crédito: Los Alamos National Laboratory

Cientistas do Los Alamos National Laboratory estão expondo supercondutores de alta temperatura a campos magnéticos muito elevados, mudando a temperatura que os materiais se tornam supercondutores e revelando propriedades únicas destas substâncias.

       “As medidas de campo magnético em supercondutores de alta temperatura estão pavimentando o caminho para uma nova teoria da supercondutividade”, diz Brad Ramshaw, um cientista do Los Alamos National Laboratory e principal pesquisador do projeto.

       O objetivo final da pesquisa é criar um supercondutor que opere à temperatura ambiente e não necessite de resfriamento. Todos os dispositivos que fazem uso de supercondutores, tais como os imãs MRI encontrados em hospitais, devem ser resfriados a temperaturas muito abaixo de zero, com nitrogênio líquido ou hélio, adicionando custo e complexidade à empresa.

“Esta é uma experiência verdadeiramente histórica que ilumina um problema de importância central para a física da matéria condensada”, disse Gregory Boebinger, cientista-chefe do Condensed Matter Science no National High Magnetic Field Laboratory's. “O sucesso deste trabalho é resultados das equipes terem as melhores amostras, os mais altos campos magnéticos, as técnicas mais sensíveis, e a criatividade inspirada por uma equipe de investigação multi-institucional”.

       Os supercondutores de alta temperatura, tais como o óxido de ítrio, bário e cobre (YBa₂Cu₃O_6+x), não podem ser explicados pela teoria BCS, e assim os pesquisadores necessitam de uma nova teoria para estes materiais. Um aspecto interessante dos supercondutores de alta temperatura, é que se pode alterar a temperatura de transição supercondutora (T_C) por doping, ou seja, alterando o número de elétrons que participam da supercondutividade.

       A pesquisa da equipe do Los Alamos descobriu que a dopagem do YBa₂Cu₃O_6+x onde a temperatura crítica é mais alta (dopagem ótima), os elétrons se tornam muito pesados e se movimentam de forma correlacionada.

       “Isso nos diz que os elétrons estão interagindo muito fortemente quando o material é um supercondutor ideal”, disse Ramshaw. “Essa é uma peça vital de informação para construir a próxima teoria da supercondutividade”.

       “Um problema de destaque na supercondutividade de alta T_C tem sido a questão de saber se um ponto quântico crítico - um valor especial de dopagem onde flutuações quânticas levam a fortes interações elétron-elétron - está elevando notavelmente a T_C nestes materiais”, disse ele. “Prova de sua existência nunca foi encontrada devido à natureza robusta da supercondutividade em cupratos, se os cientistas demonstrarem que existe um ponto quântico crítico, isso constituiria um marco significativo para a resolução do mecanismo de emparelhamento supercondutor, explicou Ramshaw.

       “Montar as peças deste complexo quebra-cabeça da supercondutividade foi uma tarefa difícil que envolveu cientistas de todo o mundo por décadas”, disse Charles H. Mielke, diretor do Pulsed Field Facility of the National High Magnetic Field Lab. “Embora o quebra-cabeça esteja incompleto, esta peça essencial liga resultados experimentais indiscutíveis de aspectos fundamentais da física da matéria condensada”.

       A equipe mediu oscilações quânticas magnéticas em função da dopagem em campos magnéticos muito fortes. Campos magnéticos elevados permitem que o estado normal seja acessado através da supressão da supercondutividade. Os campos que se aproximam de 100 T, em particular, permitem que as oscilações quânticas sejam medidas muito próximas do máximo na temperatura de transição, T_C ~ 94 K. Essas oscilações quânticas fornecem aos cientistas uma imagem de como os elétrons estão interagindo uns com os outros antes que eles se tornem supercondutores.

       Investigando uma gama muito ampla de dopagens, os autores mostraram que existe um forte aumento da massa efetiva na dopagem ótima. Um forte incremento da massa efetiva é a assinatura no aumento da força de interação entre os elétrons, e a assinatura de um ponto quântico crítico. A quebra de simetria responsável por este ponto ainda não foi fixada, embora uma conexão com o ordenamento de carga parece ser provável, observa Ramshaw.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-03-magnetic-fields-high-temperature-superconductivity.html#nRlv

Fonte2: http://www.sciencemag.org/content/348/6232/317

Cupratos ganham suas listras (Cuprates earn their stripes)

Esboço dos padrões estáticos para (a) ordem de carga 1D (listrado) e b) 2D (xadrez), dentro do plano 2D Cu-O. Fonte:  http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=39490.php

A comunidade de pesquisa canadense continua a liderar este campo científico com resultados inovadores e de grandes questões teóricas. O mais recente avanço responde a uma pergunta fundamental sobre a estrutura eletrônica microscópica dos cupratos supercondutores. Este resultado é o produto de uma estreita colaboração de longa data entre a University of British Columbia Quantum Matter Institute (UBC) e a Canadian Light Source (CLS).

Nos cupratos supercondutores, a onda de densidade de carga, na qual os elétrons assumem um padrão estático, diferente do padrão que a estrutura cristalina do material define, interage com a supercondutividade. Você também pode pensar os elétrons supercondutores como carros em uma estrada, todos se movendo na mesma velocidade e direção. Mas o estado de onda de densidade de carga age como um engarrafamento modelado: nenhum movimento, em qualquer lugar. 

Entender o que causa esse padrão é considerado um passo fundamental para compreender a supercondutividade, mas até mesmo determinar a natureza do padrão tem sido difícil. Os principais modelos teóricos preveem uma estrutura de linha paralela ou um padrão xadrez. Infelizmente, mesmo com técnicas avançadas, revelou-se impossível ver a diferença entre os dois modelos. Isto é, até os mais recentes resultados do Comin na Science, os quais mostram que o cuprato supercondutor em questão tem um padrão tipo listra ao invés de um tabuleiro de xadrez.

A equipe UBC-CLS utilizou uma abordagem experimental não convencional para reconstruir um modelo bidimensional do padrão estático de elétrons de 1D – bem como as reconstruções tomográficas utilizadas para fins médicos.

Esses resultados oferecem novos insights fundamentais que ajudam a aprimorar a busca da supercondutividade de temperatura ambiente. No entanto, as questões mais desafiadoras permanecem: Qual é a força motriz por trás da tendência dos elétrons se moverem juntos de forma coerente no estado supercondutor, e como pode a temperatura de transição ser melhorada? Apesar de quase 30 anos de história, o campo da supercondutividade de alta temperatura está mais vivo do que nunca.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=39490.php

Fonte2: http://www.sciencemag.org/content/347/6228/1335

Fazendo supercondutores mais resistentes (Making Superconductors Sturdier)

 

Joerg Harms/Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter

 

A resistência nula dos supercondutores torna estes materiais ideais para circuitos elétricos. No entanto, continuam a serem inviáveis, devido às baixas temperaturas em que operam. Isso acontece porque o estado supercondutor é altamente suscetível ao ruído térmico, o que perturba a ordem eletrônica de longo alcance necessária para manter a supercondutividade, induzindo uma transição para um estado não supercondutor na temperatura crítica. Agora Samuel Denny e colegas da Universidade de Oxford, propõem que com pulsos de radiação terahertz, os supercondutores poderiam permitir que sejam transitoriamente resfriados, reduzindo o impacto do ruído térmico.

       Os autores consideram o cuprato um material supercondutor modelo formado por camadas duplas empilhadas, onde os fluxos de corrente são perpendiculares às camadas. O material é então submetido a uma onda electromagnética na faixa do terahertz que excita modos de vibração do material (fônons). Estes, por sua vez, transferem sua excitação para os plásmons (excitações coletivas de elétrons), convertendo sua frequência. Ajustando a frequência (terahertz) de condução, os pesquisadores calculam que este sistema pode funcionar como um refrigerador, bombeando ativamente o calor para fora dos plásmons de baixa frequência. Isso ajuda a proteger de ruído térmico a ordem de longo alcance dos materiais e pode fazer a supercondutividade mais “robusta”. Por exemplo, mais corrente pode ser transportada através do material sem quebrar o estado supercondutor.

       O método proposto foi estudado para supercondutores já resfriados abaixo de suas temperaturas de transição e apenas se mantém eficaz por alguns picosegundos após a terahertz de condução ter sido desligada. Mas os autores sugerem que estratégias semelhantes, com base em técnicas de arrefecimento a laser, um dia pode ajudar a aumentar a temperatura crítica de um determinado material.

 

 

Fonte1: https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.114.137001

 

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.137001

 

Elétrons em câmera lenta (Electrons in slow motion)

As diferentes dinâmicas de relaxamento em um high-T_C e em supercondutores convencionais. Fonte: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3265.html

 

Um processo que é rápido demais para ser medido e analisado. No entanto, um grupo de cientistas internacionais não desanimou e desenvolveu uma espécie de sistema altamente sofisticado de edição de filme, o que lhes permitiu observar - pela primeira vez de forma direta - um efeito subjacente à condutividade de alta temperatura.

Supercondutores têm propriedades que os tornam potencialmente muito interessante para a tecnologia (exemplos de aplicação incluem trens de levitação magnética). O caminho para uma verdadeira aplicação das propriedades extraordinárias destes supercondutores é, no entanto, bloqueada pelo fato de que os convencionais trabalham em temperaturas extremamente baixas próximas ao zero absoluto, e, portanto, inviáveis. Supercondutores à base de óxido de cobre, graças a uma temperatura mais elevada de trabalho, são mais promissores, mas a possibilidade de sintetizar supercondutores à temperatura ambiente continua a ser um objetivo distante. O principal obstáculo é a falta de compreensão do mecanismo que permite transformar óxidos de cobre em supercondutores.

Um dos principais problemas é entender se as interações de elétrons no interior do material são diretas e instantâneas ou mediadas por alguma interação ‘atrasada’. Para responder a essa pergunta, precisamos olhar para o processo ‘na vida real’, mas dada a sua rapidez incomum, isso está longe de ser fácil. “A solução que concebemos é baseada no uso de pulsos de luz ultra-rápidos, com duração de 10 femtosegundos, ou seja, 10 milhões de bilionésimos de segundo”, explica Claudio Giannetti, da Universidade Católica do Sagrado Coração, que coordenou a pesquisa. “Para serem capaz de realizar essas medições nossos laboratórios desenvolveram um aparelho experimental único capaz de produzir, utilizar e medir pulsos de luz de cores diferentes que duram menos de 10 femtosegundos”, acrescenta Giulio Cerullo, chefe dos laboratórios de espectroscopia ultra-rápida do Departamento de Física da Politécnica de Milão.

O método desenvolvido se assemelha à ‘fotografia de alta velocidade’ inventada por Eadweard Muybridge mais de 100 anos atrás. “As imagens estroboscópicas famosas, ou imagens em movimento, podem dar uma ideia do que fizemos”, explica Massimo Capone, pesquisador do SISSA em Trieste. “Muybridge, assim como nós, teve de tirar fotos de objetos em alta velocidade, quebrar o movimento em muitos moldes antes de criar essas imagens bonitas (que se tornaram ícones) que oferecem uma reconstrução da trajetória de movimento. Fizemos algo muito semelhante, em uma minúscula dimensão temporal (e espacial), utilizando pulsos de luz infinitamente curtos como obturadores, para observar mudanças ultra-rápidas nas propriedades de um supercondutor”.

       Os cientistas aplicaram a técnica a diferentes famílias de supercondutores de alta temperatura, sucedendo, assim, em medir o que eles definem como o “mais rápido processo lento” em um sólido, e seus resultados apoiam a hipótese de que as interações dos elétrons nesses supercondutores são mediadas pelo spin dos elétrons.

Mais em detalhe ...

       “Em geral, as interações dos elétrons em um sólido podem ser divididas em interações diretas, que são virtualmente instantâneas, e ‘interações retardadas’, que ocorrem quando os elétrons interagem com outras partículas (bósons decorrentes da excitação dos íons ou de excitações magnéticas)”, explica Capone. “Estes últimos processos são pensados como fundamentais para a supercondutividade ocorrer, já que eles formam a ‘cola’ que mantém os elétrons juntos nos chamados ‘pares de Cooper’ subjacentes ao próprio fenômeno da supercondutividade”.

       “Até o momento, as experiências semelhantes realizadas com uma resolução temporal inferior conseguiram acessar somente os processos ‘lentos’ relacionados às interações de elétrons com as vibrações (fônons) da rede cristalina formadas por íons”, explica Cerullo. “Neste estudo, pela primeira vez, nós medimos o emparelhamento de elétrons com outra família de excitações ligadas ao spin do elétron e do magnetismo”.

       “Este emparelhamento”, conclui Giannetti, “era impossível de acessar experimentalmente até agora porque ocorre em um intervalo de apenas 10 femtosegundos. Nossa técnica e sua utilização inicial abriram uma nova janela sobre os processos ultra-rápidos em supercondutores de alta temperatura”.

Fonte1: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-03/isoa-eis030915.php

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3265.html

O spin do elétron pode ser a chave para a supercondutividade de alta temperatura (Electron spin could be the key to high-temperature superconductivity)

Marco Grioni

Cientistas deram um passo significativo na compreensão da supercondutividade, estudando os eventos quânticos estranhos em um material supercondutor único.

        Cupratos são materiais com uma grande promessa de alcançar a supercondutividade a temperaturas mais elevadas (-120 ° C). Isto poderia significar eletricidade de baixo custo sem perda de energia. Intensa pesquisa centrou-se na compreensão da física dos cupratos na esperança de que podemos desenvolver supercondutores a temperatura ambiente. Cientistas usaram uma técnica de ponta para descobrir a maneira como os cupratos tornam-se supercondutores. O trabalho foi publicado na Nature Communications.

        Supercondutores convencionais são materiais que conduzem eletricidade sem resistência em temperaturas que se aproximam do zero absoluto (-273,15 °C ou 0 K). Sob estas condições, os elétrons do material juntam-se e formam casais de elétrons que são chamados de “pares de Cooper”, e desta forma fluem sem resistência. Geralmente, os pares de Cooper se formam a temperaturas muito baixas, e apenas quando os átomos vibram e criam uma força de atração entre os elétrons.

        No entanto, existe uma classe de supercondutores onde pares de Cooper não se formam por causa de vibrações dos átomos. Estes supercondutores são materiais à base de cobre chamados “cupratos”, e em temperaturas normais, elas são, na verdade, isolantes elétricos e ímãs.

        A popularidade dos cupratos vem do fato de serem supercondutores a temperaturas muito mais elevadas do que os outros materiais: -123,15 °C (150 K). Isso faz dos cupratos excelentes candidatos para a supercondutividade cotidiana. Contudo, estudos anteriores sugeriram que cupratos não se tornam supercondutores como outros materiais, o que coloca a questão: como a supercondutividade surge em cupratos?

        Uma equipe de pesquisadores liderada por Marco Grioni usou uma técnica espectroscópica de ponta para explorar a supercondutividade dos cupratos. Os cientistas usaram uma técnica chamada de Resonant Inelastic X-ray Scattering (espalhamento ressonante inelástico de raios-X, tradução livre), usada para investigar a estrutura eletrônica de materiais. Este método de alta resolução foi capaz de monitorar o que acontece com os elétrons de uma amostra de cuprato quando ele se torna supercondutor.

        “Normalmente, supercondutores odeiam magnetismo”, diz Grioni. “Ou você tem um bom ímã ou um bom supercondutor, mas não ambos. Cupratos são muito diferentes e realmente surpreendeu todos, porque são normalmente isolantes e ímãs, mas tornam-se supercondutores quando alguns elétrons extras são adicionados por ajustes suaves de sua composição química”.

        O ingrediente chave do magnetismo é uma propriedade dos elétrons chamada spin, que pode ser considerado como o momento de um pião. Spins podem interagir uns com os outros e criar ondas que viajam através do material. Quando os materiais magnéticos são perturbados, ondas de spin são criadas e espalhados ao longo do seu volume. Essas ondas de spin são impressões digitais reveladoras da interação e estrutura magnética.

        Mesmo quando eles se tornam supercondutores, os cupratos não perdem suas propriedades magnéticas. “Algo do ímã permanece no supercondutor, e pode desempenhar um papel importante no aparecimento de supercondutividade” diz Grioni. “Os novos resultados fornecem uma ideia melhor de como os spins interagem nestes fascinantes materiais”.

        Os resultados sugerem uma nova compreensão da supercondutividade em cupratos e, possivelmente, em outros supercondutores de alta temperatura. Ao revelar o papel das interações de spin, pode abrir o caminho para a interposição de supercondutores de alta temperatura para o mundo real.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38507.php

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2014/141218/ncomms6760/full/ncomms6760.html