Universalidade da ordem de carga em cupratos (universality of charge order in cuprate superconductors)

Estas são as estruturas cristalinas do HgBa₂CuO₄₊ e do YBa₂Cu₃O₆₊

Ordem de carga foi estabelecida em outra classe de cuprato, destacando a importância do fenômeno como uma propriedade geral desses materiais de alta T_C

A descoberta em 1986 da supercondutividade em cupratos, uma classe de materiais cerâmicos, impulsionou um esforço impressionante de pesquisa em todo o mundo. Estes materiais ainda detêm o recorde de temperatura crítica e por isso são chamados supercondutores de alta-T_C, apesar do fato de alta-T_C significar apenas -140 °C. Embora esse valor pareça bastante baixo, é, de fato, muito alto em comparação com os supercondutores clássicos, onde é necessário resfriar o material perto da temperatura do zero absoluto, -274 °C, para o surgimento da supercondutividade. O salto emocionante da T_C com a descoberta dos high-T_C ainda nutre esperança de que algum dia, a supercondutividade seja possível em temperatura ambiente.

O fenômeno da supercondutividade é bem compreendido para os supercondutores clássicos. Quando não estão no estado supercondutor, supercondutores clássicos se comportam como metais, e a supercondutividade emerge desse estado metálico pelo emparelhamento de elétrons. O emparelhamento de portadores de carga é também o que está por trás da supercondutividade nos cupratos. No entanto, estes supercondutores são materiais cerâmicos, onde até mesmo o estado não-supercondutor (normal) é pouco compreendido, muito menos o mecanismo por trás do emparelhamento dos portadores de carga. É por isso que novos insights sobre as propriedades dos cupratos ainda mantém os cientistas animados - mesmo quase 30 anos após a descoberta da supercondutividade de alta T_C.

Os cupratos vieram como um zoológico de materiais com abreviações do tipo LBCO, YBCO, LSCO, BSCO, e muitos mais, com fórmulas químicas de La_2-xBa_xCuO₄, YBa₂Cu₃O₆, La_2-xSr_xCuO₄, Bi₂Sr_2-xLa_xCuO₆. Todos estes materiais têm uma característica comum: os átomos de cobre e oxigênio são dispostos em planos, formando objetos quase bidimensionais. Introduzir portadores de carga nos planos de oxigênio e cobre não resulta em um comportamento metálico simples. Em vez disso, é observada complexidade de fases incomuns em torno de supercondutividade, e como o estado supercondutor emerge a partir desses estados exóticos não tem explicação até agora.

      Um dos fenômenos observados em cupratos de alta T_C é a chamada ordem de carga. Aqui, os portadores de carga que são introduzidos nos materiais cerâmicos tendem a formar um padrão regular de listras nos planos de cobre e oxigênio. Sendo colocado em um arranjo regular, torna o portador de carga menos móvel e impede a formação do estado supercondutor: ordem de carga é antagônica à supercondutividade. Naturalmente, isto é da maior importância para explorar os limites da supercondutividade e compreender o fenômeno em si. Ordem de carga foi observada em uma das classes de cupratos já em 1995. Ocorreu algum tempo para ser revelado que muitas outras classes de cupratos exibem o mesmo comportamento, e só nos últimos anos, evidências de um fenômeno ubíquo foram acumuladas, com a observação importante de ordem de carga no YBCO em 2012. Todas estas experiências forneceram evidências de que esse fenômeno é uma propriedade comum dos portadores de carga nos planos de oxigênio e cobre dos cupratos.

Iniciado por pesquisadores de Minnesota, uma equipe internacional de cientistas identificou agora ordem de carga no HgBa₂CuO₄, enfatizando este comportamento universal: HgBa₂CuO₄ é um cuprato com uma estrutura cristalina bastante simples que superconduz a temperaturas tão elevadas quanto -175 °C. Outro resultado importante do estudo é a descoberta de que a ordem de carga está intimamente relacionada com outra propriedade do material. Quando um campo magnético muito alto é aplicado, a supercondutividade é destruída, e a resistência elétrica sobe e desce com a mudança de campo magnético, conhecido como oscilações quânticas. Encontrar uma conexão universal entre o período destas oscilações quânticas e o período espacial da ordem de carga é uma das realizações do estudo. A associação dessas observações aparentemente distintas em um material tão complexo é de extrema importância, uma vez que contribui para dizer qual efeito é importante e qual é espúrio.

Uma parte importante desta pesquisa foi realizada com o difratômetro XUV do HZB, empregando o método particularmente sensível de ressonância de difração de raios-X macio. Este método já foi utilizado com sucesso para detectar fracas ordem de carga em uma série de materiais. Os resultados agora foram publicados na revista Nature Communications. “Depois de décadas de pesquisa, os estados incomuns da matéria nos cupratos e sua relação com o fenômeno da supercondutividade de alta T_C ainda estão confundindo os cientistas”, diz o Dr. Eugen Weschke do Department Quantum Phenomena in Novel Materials, “a observação de ordem de carga neste modelo de sistema limpo acrescenta uma peça importante para a sistemática dos cupratos, e estamos felizes de ter contribuído para esses estudos com uma série de experimentos aqui no HZB”.

Fonte1: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2014-12/hbfm-uoc122214.php

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2014/141219/ncomms6875/full/ncomms6875.html

Estado eletrônico inusitado encontrado em nova classe de supercondutores não convencionais (unusual electronic state found in new class of unconventional superconductors)

Em cima: ondulações estende abaixo a cadeia de átomos quebram a simetria translacional (como um tabuleiro de xadrez com quadrados pretos e brancos), o que causaria pontos extras no padrão de difração (mostrado como pontos vermelhos no padrão de difração subjacente). Abaixo: alongamento ao longo de uma direção quebra a simetria rotacional, mas não a simetria translacional (como um tabuleiro de xadrez com quadrados idênticos, mas esticada em um dos sentidos), sem causar pontos de difração adicionais. Os experimentos provaram que estes novos supercondutores têm o segundo tipo de distribuição de densidade de elétrons, chamado nemático. Crédito da imagem: Ben Frandsen.

        Uma equipe de cientistas do U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, Columbia Engineering, Columbia Physics e da Universidade de Kyoto, descobriu uma forma incomum de ordem eletrônica em uma nova família de supercondutores não convencionais. A descoberta, descrita na revista Nature Communications, estabelece uma conexão inesperada entre esse novo grupo de supercondutores de titânio-oxipnictídeos e os mais familiares cupratos e ferro-pnictídeos, fornecendo aos cientistas uma nova família de materiais a partir dos quais eles podem ganhar uma percepção mais profunda dos mistérios da supercondutividade de alta temperatura.

        “Encontrar este novo material é um pouco como um arqueólogo encontrar um novo túmulo do faraó egípcio”, disse Simon Billinge, físico da Universidade de Columbia que liderou a equipe. “À medida que tentar resolver os mistérios por trás da supercondutividade não convencional, precisamos descobrir sistemas diferentes, mas relacionadas para nos dar um quadro mais completo do que está acontecendo, exatamente como um sepulcro novo com tesouros não encontrado antes, dará um retrato mais completo da sociedade egípcia antiga”. Cada nova descoberta de um tema comum entre estes materiais está ajudando os cientistas a desbloquear as peças do quebra-cabeça.

        Um dos maiores mistérios é entender como os elétrons interagem em supercondutores de alta temperatura, por vezes, tentando evitar um ao outro e em outras vezes emparelhando-se – uma característica fundamental que lhes permite transportar corrente sem resistência. Os cientistas que estudam estes materiais em Brookhaven e em outros lugares descobriram tipos especiais de estados eletrônicos, tais como “ondas de densidade de carga”, onde as cargas se agrupam para formar listras e padrões de xadrez. Ambos quebram a “simetria translacional” do material, a repetição da mesmice quando você se move através da superfície (por exemplo, movendo-se através de um tabuleiro de xadrez você se move de quadrados brancos para quadrados pretos).

        Outro padrão observado pelos cientistas nas duas classes mais famosas de supercondutores de alta temperatura é a quebra de simetria rotacional sem mudança na simetria translacional. Neste caso, chamado ordem nemática, cada espaço em branco é o tabuleiro de damas, mas as formas dos espaços são distorcidas de um quadrado para um retângulo; quando você girar e girar em um espaço, seu espaço vizinho é mais próximo ou mais distante, dependendo da direção em sua face. Tendo observado esse estado inesperado nos cupratos e ferro-pnictídeos, os cientistas estavam ansiosos para ver se esta ordem eletrônica incomum também seria observada em uma nova classe de supercondutores de alta temperatura de titânio-oxipnictídeos descobertos em 2013.

        “Esses compostos de titânio-oxipnictídeos são estruturalmente semelhantes aos outros sistemas supercondutores exóticos, e eles tinham todos os sinais reveladores de uma quebra de simetria, como anomalias de resistividade e medidas termodinâmicas. Mas não havia nenhum sinal de qualquer tipo de onda densidade de carga em qualquer medição anterior. Era um mistério”, disse Emil Bozin, cujo grupo no Brookhaven é especialista na busca de simetrias quebradas em locais escondidos. “Foi natural para nós saltar sobre este problema”.

        A equipe procurou o efeito da quebra de simetria rotacional, uma questão que tinha sido levantada por Tomo Uemura de Columbia, utilizando amostras fornecidas por seus colaboradores no grupo de Hiroshi Kageyama da Universidade de Kyoto. Eles realizaram dois tipos de estudos de difração: de nêutrons e de elétrons. “Nós usamos estas técnicas para observar o padrão formado por feixes de partículas filmados através de amostras de pó dos supercondutores sob uma faixa de temperaturas e outras condições para ver se há uma mudança estrutural que corresponde à formação deste tipo especial de estado nemático”, disse Ben Frandsen, estudante de pós-graduação em física na Universidade de Columbia e principal autor do estudo.

Os experimentos revelaram uma distorção da quebra de simetria a baixa temperatura. Um esforço colaborativo entre os experimentalistas e teóricos estabeleceu a natureza nemática particular da ordem. “Crítico neste estudo foi o fato de que nós pudemos trazer rapidamente vários métodos experimentais complementares, juntamente com conhecimentos teórico, por termos a maior parte dos especialistas no laboratório de Brookhaven e fortes colaborações com colegas de Columbia e além”, disse Billinge.

        A descoberta da ‘nematicidade’ em titânio-oxipnictídeos, juntamente com o fato de que suas propriedades químicas e estruturais se conectam às dos supercondutores de alta temperatura (cupratos e ferro-pnictídeos), tornam esses materiais um novo e importante sistema para ajudar a compreender o papel da quebra de simetria eletrônica na supercondutividade. Como Billinge observou: “Esta nova tumba do faraó, na verdade continha um tesouro: nematicidade”.

Fonte1: http://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=11684

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2014/141208/ncomms6761/full/ncomms6761.html

Átomos “chacoalhados” imitam a supercondutividade de alta temperatura (Rattled Atoms Mimic High-temperature Superconductivity)

No material supercondutor de alta temperatura conhecido como YBCO, a luz de um laser faz os átomos de oxigênio (vermelho) vibrarem entre as camadas de óxido de cobre (azul). Os átomos nessas camadas fora da sua posição normal provavelmente favorece a supercondutividade. Neste estado de curta duração, a distância entre os planos de óxido de cobre dentro da camada aumenta, enquanto que a distância entre as camadas diminui. (Jörg Harms/Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter)

Um experimento do SLAC National Accelerator Laboratory forneceu o primeiro vislumbre fugaz da estrutura atômica de um material de como ele entrou em um estado semelhante a supercondutividade de temperatura ambiente.

        Os pesquisadores usaram um comprimento de onda específico de luz laser para “chacoalhar” a estrutura atômica do YBa₂Cu₃O_7-d (YBCO). Em seguida, eles sondaram as mudanças resultantes na estrutura com um feixe laser de raio-X do Linac Coherent Light Source (LCLS).

        Eles descobriram que a exposição inicial à luz do laser resulta em mudanças específicas nos átomos de cobre e oxigênio que comprime e expande as distâncias entre eles, criando um alinhamento temporário que exibe sinais da supercondutividade por alguns bilionésimos de segundo bem acima da temperatura ambiente - até 60 °C. Juntando dados teóricos e experimentais os pesquisadores mostraram como essas mudanças nas posições atômicas permitem a transferência de elétrons que impulsiona a supercondutividade.

Novas visualizações de átomos em movimento

“Este é um estado altamente interessante, mesmo que só exista por um curto período de tempo”, disse Roman Mankowsky do Instituto Max Planck, principal autor do estudo. “Quando o laser excita o material, ele desloca os átomos e altera a estrutura. Esperamos que estes resultados ajudem na concepção de novos materiais para melhorar a supercondutividade”.

Manter o estado supercondutor à temperatura ambiente revolucionaria muitos campos, tornando a rede elétrica mais eficiente e permitindo computadores mais potentes e compactos. 

Uma ferramenta poderosa para explorar a supercondutividade

Josh Turner, um cientista do SLAC afirma que ferramentas poderosas como lasers de raios-X têm causado novo interesse na pesquisa de supercondutores, permitindo que pesquisadores isolem uma propriedade específica que eles querem aprender mais a respeito. Isto é importante porque supercondutores de alta temperatura podem apresentar um emaranhado de propriedades magnéticas, eletrônicas e estruturais que podem competir ou cooperar quando o material se move em direção ao estado supercondutor. Por exemplo, um estudo do LCLS publicado recentemente descobriu que excitando o YBCO com a mesma luz laser se interrompe uma ordem eletrônica que compete com a supercondutividade.

        “O que o LCLS está mostrando agora é como essas diferentes propriedades mudam ao longo de um tempo curto”, diz Turner. “Nós podemos realmente ver como os elétrons ou átomos estão se movendo”.

        Mankowsky diz que futuros experimentos no LCLS podem tentar manter o estado supercondutor por períodos mais longos, usando uma combinação de técnicas para estudar como as outras propriedades evoluem no processo de transição para o estado supercondutor e explorar se as mesmas alterações estruturais estão a trabalhar em outros supercondutores de alta temperatura.

        Pesquisadores do National Center for Scientific Research da França, Paul Scherrer Institute na Suíça, do Instituto Max Planck na Alemanha, Swiss Federal Institute of Technology do Colégio da França, da Universidade de Genebra, da Universidade de Oxford no Reino Unido, do Center for Free-Electron Laser Science na Alemanha, e da Universidade de Hamburgo na Alemanha, também participaram do estudo. O trabalho foi apoiado pelo European Research Council, German Science Foundation, Swiss National Superconducting Center e Swiss National Science Foundation.

Fonte1: http://www.nature.com/nature/journal/v516/n7529/full/nature13875.html

Fonte2: https://www6.slac.stanford.edu/news/2014-12-04-rattled-atoms-mimic-high-temperature-superconductivity.aspx

Auto-dopagem pode ser a chave para a supercondutividade em temperatura ambiente (self-doping may be the key to superconductivity in room temperature)

Comparação dos dados de XAS de duas temperaturas diferentes mostra os resultados da refrigeração em uma redistribuição de cargas entre os planos do supercondutor YBCO. Crédito: Martin Magnuson/LiU

Em supercondutores, as perdas de energia por resistência são zero. Em função disso, existem muitas aplicações tecnologicamente interessantes visando a economia de energia elétrica e benefícios para o setor de transporte. Eletroímãs em motores elétricos, por exemplo, podem ser menores com campos magnéticos mais fortes e com menor consumo de energia; trens de levitação magnética podem atingir velocidades mais elevadas, evitando atrito com os trilhos.

        Por outro lado, a necessidade de resfriamento destes materiais a temperaturas muito baixas continua a ser um obstáculo não superado. Um dos principais objetivos da pesquisa em supercondutividade é encontrar um material que seja supercondutor à temperatura ambiente. No entanto, o mecanismo subjacente à supercondutividade de alta temperatura ainda não é totalmente compreendido.

Pesquisadores fizeram uma descoberta que pode lançar nova luz sobre este fenômeno. Duas técnicas foram utilizadas para medir as propriedades do YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO) à temperatura ambiente e a -258 °C: a X-ray Absorption Spectroscopy XAS (espectroscopia de absorção de raios-X) e a Resonant Inelastic X-ray Scattering RIXS (espalhamento ressonante inelástico de raios-X).

O YBCO é uma cerâmica supercondutora bem conhecida à base de cobre com temperatura crítica T_C = -183 °C. O que torna o YBCO um supercondutor especial é por ser constituído de dois tipos de unidades estruturais, isto é, ‘planos’ de óxido de cobre empilhados que transportam a corrente supercondutora, separados por ‘cadeias’ de óxido de cobre no meio. O papel das cadeias no YBCO confundiu os cientistas desde sua descoberta em 1987. A T_C pode ser influenciada no processo de síntese variando a ‘dopagem de oxigênio’, e assim o comprimento do cadeias.

Estrutura do supercondutor YBCO

        Há muito se assumiu que o nível de dopagem foi determinado unicamente pela estrutura das cadeias no momento da síntese. Em contrapartida, os novos resultados experimentais mostram que as cadeias no YBCO reagem à refrigeração, fornecendo aos planos de óxido de cobre com carga positiva (elétron-buraco) um mecanismo chamado de autodopagem. Combinando a RIXS com modelos de cálculos, os pesquisadores descobriram que a autodopagem é acompanhada por mudanças nas ligações de cobre e oxigênio que conectam os planos com as cadeias.

        Esta descoberta inovadora de autodopagem no YBCO desafia o entendimento tradicional do mecanismo da supercondutividade em supercondutores de alta temperatura à base de cobre, que pressupõe um nível de dopagem constante nos planos de óxido de cobre. Alguns experimentos anteriores dependentes da temperatura terão agora de ser revistos à luz desta nova descoberta, e, assim, ajudar a resolver o enigma da supercondutividade de alta temperatura. Os pesquisadores planejam realizar um estudo mais detalhado dependente da temperatura para determinar se a reestruturação e redistribuição da ocupação orbital ocorre exatamente na transição de fase para a supercondutividade ou se ele já ocorre a uma temperatura mais elevada na conhecida região de pseudogap.

Fonte1: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2014-11/lu-smb111314.php

Fonte2: http://www.nature.com/srep/2014/141112/srep07017/full/srep07017.html

Observado um novo e intrigante comportamento em supercondutores de alta temperatura (puzzling new behaviour observed in high-temperature superconductors)

Pesquisadores do PSI: Thorsten Schmitt e Yaobo Huang. Crédito: Paul Scherrer Institute / Mahir Dzambegovic

        Uma equipe internacional de pesquisadores do National AcceleratorLaboratory, da Universidade de Stanford e do Instituto Paul Scherrer (Villigen, Suíça), observaram um novo tipo de comportamento em supercondutores de alta temperatura à base de cobre. Explicar o novo fenômeno - uma nova forma do movimento coletivo das cargas elétricas no material - representa um grande desafio para os pesquisadores. Explicar o fenômeno satisfatoriamente pode ser um passo importante para a compreensão da supercondutividade de alta temperatura. Os experimentos foram conduzidos no Scherrer Institute Paul Swiss Light Source. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature Physics.

        “Materiais supercondutores à temperatura ambiente poderiam ajudar a salvar uma grande quantidade de energia”, explica Thomas Devereaux, chefe da equipe de pesquisa SLAC. “Mas, a fim de desenvolver tais materiais, temos que entender o que se passa dentro deles quando eles se tornam supercondutoras. Nossos resultados das últimas pesquisas fornecem uma peça chave neste quebra-cabeça de longa data.”

        Óxido de cobre - um material cerâmico - normalmente não conduz eletricidade. No entanto, pode tornar-se supercondutor se uma pequena fração dos átomos do material é substituído com átomos de certos outros elementos, aumentando ou diminuindo o número de elétrons no material - uma técnica chamada de doping (dopagem). Além disso, o material deve ainda ser fortemente esfriado. A quantidade de resfriamento depende do tipo de átomos substituídos: átomos que fornecem elétrons adicionais exigem esfriar o material a 30 K, ou seja, trinta graus acima do zero absoluto. Já átomos que reduzem o número de elétrons, é suficiente arrefecer a 120 Kelvin. Um dos objetivos da pesquisa era descobrir a razão para este comportamento diferente sob efeito da dopagem.

 

Mostrando o movimento dos portadores de carga

        A fim de determinar como a dopagem altera as propriedades do material, os pesquisadores utilizaram uma técnica experimental moderna baseada na luz de raios-X conhecida como Resonant Inelastic X-ray Scattering (RIXS). Os experimentos foram realizados no instrumento RIXS do Scherrer Institute Paul Swiss Light Source (SLS). “Esta instalação atualmente possui a maior resolução do mundo e pode revelar como portadores individuais de carga - os elétrons – movem-se sob os estímulos dos raios-X incidentes. Os resultados de tais estímulos são excitações que podem ser imaginadas como ondas de propagação através do material se uma de suas propriedades muda em algum lugar”, explica Thorsten Schmitt, o cientista responsável por esta facilidade no Paul Scherrer Institute. Estas propriedades modificadas podem ser a distribuição das cargas elétrica ou a ordem magnética no material. A ordem magnética pode emergir quando elétrons dentro de alguns materiais se comportam como pequenos ímãs. Se estes ímãs estão dispostos num padrão regular, este é referido como uma ordem magnética. Ondas podem ser induzidas por esta ordem se ímãs individuais são movidos fora de posição e este deslocamento viaja de ímã para ímã. No entanto, a excitação não necessariamente se espalha no mesmo sentido em que os ímãs individuais foram movidos - bem como uma onda de água se desloca através da superfície da água, embora as moléculas de água individuais só se movem para cima e para baixo. Para ambos, a onda magnética e a onda de água, a direção de propagação da onda como um todo é importante, isto é, a direção em que a onda transporta energia, a qual, no caso da onda da água, é usada por um surfista, por exemplo.

 Esta animação mostra ondas de spin se propagando através de um material antiferromagnético, em que átomos vizinhos (bolas) têm spins opostos (setas). Quando um fóton, ou partículas de luz (bola de ouro), do comprimento de onda certo atinge um átomo e perturba a sua rotação, o distúrbio se espalha como ondulações na água. Estas ondas de spin podem ser detectadas com a técnica RIXS, que analisa a energia e a quantidade de movimento dos fótons emitidos pelo material perturbado. Experimentos realizados por uma equipe internacional de pesquisadores no PSI encontraram comportamentos incomuns de ondas de spin em um material supercondutor de óxido de cobre. O próximo passo é ver se e como esta nova excitação está relacionada com a capacidade do material conduzir eletricidade com 100% de eficiência. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory, Martin Böhm, Alain Filhol e Mathieu Ippersiel / Neutrons4Science

A mais alta precisão no instrumento PSI

“Em um experimento RIXS, você ilumina a amostra com raios-X, o que estimula uma onda magnética na amostra”, explica Schmitt. “Os raios-X transferem parte da sua energia para a onda magnética no processo. Comparando a energia da luz de raios-X que entra na amostra com a luz que sai, é possível recolher informações sobre as propriedades das ondas magnéticas estimuladas - especialmente sua energia”. Schmitt explica por que as medições foram realizadas no PSI: “Em nenhum outro lugar no mundo pode a energia de tais excitações ser medida com maior precisão do que em nosso instrumento RIXS no PSI”.

        Os experimentos revelaram duas coisas intrigantes. “Por um lado, a energia magnética transportada pela excitação aumentou por um fator inesperadamente grande nos materiais com excesso de elétrons. Por outro, a formação de novas excitações coletivas - uma forma particular do movimento coletivo de cargas elétricas - foi detectada nestes mesmos materiais”, relata Wei Sheng-Lee, o primeiro autor da publicação na revista Nature Physics. “No entanto, é um mistério a respeito do porque não observamos esse fenômeno em materiais com deficiência de elétrons, afinal, seria de esperar que eles se comportassem de forma semelhante àqueles com um excedente de elétrons.”

A longa e árdua luta para a compreensão

A nova descoberta é um dos passos na longa e árdua luta para a compreensão da supercondutividade de alta temperatura. Desde 1950, os cientistas sabem por que certos metais e ligas simples tornam-se supercondutores quando são resfriados a alguns graus acima do zero absoluto. Seus elétrons se unem para formar pares, que são feitos em conjunto pelas oscilações atômicas que atuam como uma espécie de cola virtual. Acima de certa temperatura, a cola já não mantém os pares porque os átomos se movimentam cada vez mais forte e separa os elétrons, fazendo desaparecer a supercondutividade.

        Desde 1986, cientistas descobriram uma série de novos materiais que se tornam supercondutores a temperaturas mais elevadas, entre 30 e 120 K - os chamados supercondutores de alta temperatura. A esperança agora é ser capaz de produzir supercondutores à temperatura ambiente ou a temperaturas ainda mais altas se melhorarmos nossa compreensão de como esses materiais funcionam.

Como os elétrons formam pares

Permanece obscuro como exatamente ocorre o emparelhamento de elétrons. Até recentemente, a suposição era de que em temperaturas mais altas, os pares de elétrons são mantidos juntos por fortes excitações magnéticas, que são geradas pelas interações entre os spins de elétrons. As simulações computacionais mais recentes realizadas por pesquisadores da SLAC, revelam que as interações magnéticas de alta energia não podem ser as únicas responsáveis pela formação de pares de elétrons.

        De acordo com os últimos resultados, salienta Lee, também não é claro se a excitação coletiva das cargas elétricas está ligada ao emparelhamento de elétrons nos supercondutores de alta temperatura. Depois de tudo, não se sabe se o novo efeito é favorável para a supercondutividade ou se é um obstáculo.

        “Os físicos teóricos agora tem de considerar os novos resultados em suas explicações sobre a origem da supercondutividade de alta temperatura”, diz Schmitt.

Fonte1: http://phys.org/news/2014-10-puzzling-behaviour-high-temperature-superconductors.html

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/v10/n11/full/nphys3117.html

Pesquisadores afirmam ter resolvido enigma dos high-Tc (superconducting secrets solved after 30 years)

Mapa da estrutura do óxido de cobre supercondutor. Image: Nicolle R Fuller

        Pesquisadores da Universidade de Cambridge descobriram que ondas de elétrons, conhecidas como ondas de densidade de carga (charge density waves), criam “bolsões” retorcidos de elétrons, a partir do qual emerge a supercondutividade. Os resultados foram publicados em 15 de junho na revista Nature. Clique aqui!

Um dos problemas com supercondutores de alta temperatura é que não sabemos como encontrar novos, não sabemos quais os ingredientes responsáveis ​​pela criação da supercondutividade de alta temperatura, disse Dr. Sebastian Suchitra do Laboratório Cavendish, autor principal do artigo. Nós sabemos que há algum tipo de cola que faz com que os elétrons se emparelhem, mas não sabemos o que é essa cola.

        Para decodificar o que faz supercondutores de alta temperatura, os pesquisadores trabalharam ao contrário: determinando quais as propriedades que os materiais têm no estado normal, eles podem descobrir o que estava causando a supercondutividade.

Estamos tentando entender quais os tipos de interações acontecem no material antes de os elétrons emparelharem, uma dessas interações deve ser responsável pela criação da cola, disse Sebastian. Uma vez que os elétrons já estão emparelhados, é difícil saber o que os fez emparelhar-se. Mas se nós podemos quebrar os pares, então podemos ver o que os elétrons estão fazendo e esperamos entender de onde a supercondutividade veio. Determinando o estado normal de um supercondutor, faria o processo de identificação de novos muito menos aleatório, saberíamos que tipos de materiais a serem procurados, disse Sebastian.

        Trabalhando com campos magnéticos extremamente fortes, os pesquisadores foram capazes de cancelar o efeito supercondutor em cupratos. As tentativas anteriores para determinar as origens de supercondutividade, determinando o estado normal, usaram a temperatura em vez do campo magnético, mas levou a resultados inconclusivos.

        Estas experiências foram capazes de resolver o mistério em torno da origem de bolsas de elétrons no estado normal para criar a supercondutividade. Anteriormente, era amplamente difundida a ideia de que os bolsões de elétrons estavam localizados na região de forte supercondutividade. Em vez disso, os atuais experimentos usando fortes campos magnéticos revelou uma peculiar geometria, onde cada camada vai em uma direção diferente.

    Estes resultados apontaram os locais de bolsões onde a supercondutividade é mais fraca, e sua origem em ondas de elétrons conhecidas como ondas de densidade de carga. É esse estado normal que é substituído para produzir a supercondutividade na família de supercondutores dos cupratos.

Ao identificar outros materiais que têm propriedades semelhantes, esperamos que nos ajude a encontrar novos supercondutores a temperaturas cada vez mais altas, até mesmo, à temperatura ambiente, o que poderia abrir uma enorme gama de aplicações, disse Sebastian.

Fonte: http://www.cam.ac.uk/research/news/superconducting-secrets-solved-after-30-years

Fonte: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature13326.html