Descoberta aumenta controle de supercondutividade em grafeno

Folha de grafeno (azul) girada em relação a outra folha (vermelho) sob efeito de um campo elétrico (verde). Crédito: Jose Lado

Além de transmitirem eletricidade sem resistência elétrica, os supercondutores interessam aos físicos pelos estranhos estados quânticos que os elétrons podem assumir no interior desses materiais. As propriedades desses estados exóticos podem servir de base para construir computadores quânticos, por exemplo. Infelizmente, ainda continua muito difícil a fabricação e controle das propriedades desses materiais. Um estudo teórico realizado pela brasileira Aline Ramires e o espanhol Jose Lado, no Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETH), na Suíça, mostra como criar e controlar estados exóticos de elétrons em folhas de grafita com um átomo de espessura, um material mais conhecido como grafeno.

“Podemos agora usar a estrutura mais simples e controlável do grafeno para estudar um tipo de física antes estudada apenas em sistemas muito complexos”, diz Ramires, que desde setembro trabalha no Instituto Sul Americano para Pesquisa Fundamental (SAIFR-ICTP), no prédio do Instituto deFísica Teórica da UNESP, em São Paulo. A física é a primeira autora do artigo científico destacado na capa da primeira edição de outubro da revista Physical Review Letters.

Ramires explica que, a princípio, elétrons em estados exóticos só poderiam ser obtidos em grafeno aplicando no material um campo magnético de intensidade alta demais para se realizar em laboratório. No artigo publicado, os pesquisadores apresentam uma nova receita para produzir esses estados exóticos usando apenas um campo elétrico, relativamente mais fácil de ser gerado.

Pegue duas folhas de grafeno e coloque uma sobre a outra, perfeitamente alinhadas. Em seguida, gire apenas um pouquinho a folha de cima, não mais que um grau de rotação em relação à folha de baixo. Resfrie as folhas até a temperatura de 1 Kelvin (272 graus Celsius abaixo de zero) e depois aplique um campo elétrico. De acordo com os cálculos de Ramires e Lado, os elétrons se comportam nessas condições exatamente da mesma maneira que se comportariam caso as folhas de grafeno estivessem alinhadas e sob ação de um campo magnético.

Por coincidência, logo após a dupla de físicos publicar seus resultados em um manuscrito no repositório ArXiv, em março deste ano, um grupo de físicos liderado por Pablo Jarillo-Herrero, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), Estados Unidos, apresentou resultados de experimentos com duas folhas de grafeno, mostrando que girar as folhas sob um campo elétrico até um determinado ângulo produz um estado supercondutor.

O estudo de Ramires e Lado, porém, sugere que girar uma folha em relação à outra por um ângulo cerca de dez vezes menor pode fazer com que os elétrons assumam ainda outros estados exóticos, além do estado supercondutor observado pela equipe do MIT. Em um desses outros estados, os elétrons podem ficar localizados no espaço em um arranjo que lembra o padrão geométrico de cestos de bambu tradicionais japoneses, o padrão kagome. Nesse estado os elétrons formam o que os físicos chamam de líquidos de spin, normalmente observados em pirocloros, materiais de composição química muito mais complicada que a do grafeno.

Enquanto uma equipe de físicos experimentais da ETH trabalha para confirmar suas conclusões em laboratório, Ramires continua sua investigação teórica para entender como campos elétricos controlam o surgimento de estados exóticos de supercondutividade no grafeno. Atualmente, esses estados exóticos são observados apenas em materiais chamados de cupratos. São óxidos de cobre com alguns de seus átomos de oxigênio substituídos por elementos químicos diferentes. Físicos estudam há mais de três décadas os cupratos, por serem materiais supercondutores a temperaturas relativamente altas, da ordem de 100 Kelvin. Ainda assim, os cupratos são muito complicados de serem sintetizados e suas propriedades ainda não são totalmente compreendidas. “Estudar esses estados exóticos no grafeno talvez dê algumas dicas para entendermos melhor esses materiais mais complexos”, diz Ramires.

Fonte: http://www.sbfisica.org.br/v1/home/index.php/pt/destaque-em-fisica/801-descoberta-aumenta-controle-de-supercondutividade-em-grafeno

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

Supercondutor à temperatura ambiente é mesmo possível

Pulsos ultracurtos de laser permitiram tirar fotografias da estrutura eletrônica do material conforme ele retornava de uma fase de não-equilíbrio. [Imagem: Pixabay]

Laser revelador

       Um experimento com raios laser pulsados, usados em pesquisas de materiais, revelou algo com que o mundo da tecnologia sonha há muito tempo: supercondutores que funcionam a temperatura ambiente são mesmo possíveis.

       A revelação veio quando um composto cerâmico de cobre, oxigênio e bismuto foi analisado por Simone Peli, da Universidade Católica do Sagrado Coração, na Itália.

       Usando as fontes de raio laser pulsado do laboratório SISSA, Simone e seus colegas conseguiram identificar a condição exata em que os elétrons no material não se repelem mutuamente, o que é essencial para que a eletricidade flua sem resistência.

       A novidade é que tudo ocorreu a temperatura ambiente, e não nas temperaturas criogênicas necessárias para que a supercondutividade se manifeste nos materiais usados hoje em máquinas de exames médicos ou em laboratórios como o LHC.

Supercondutor a temperatura ambiente

       A equipe se concentrou em um supercondutor específico, que tem propriedades físicas e químicas altamente complexas, sendo composto por quatro tipos diferentes de átomos, incluindo cobre e oxigênio - ele pertence à família dos cupratos.

       “Usando um pulso de laser, nós tiramos o material do seu estado de equilíbrio. Um segundo pulso, ultracurto, então nos permitiu desembaraçar os componentes que caracterizam a interação entre os elétrons enquanto o material estava retornando ao equilíbrio. Metaforicamente, foi como tirar uma série de fotografias das diferentes propriedades desse material em momentos diferentes,” escreveu a equipe em seu artigo.

       Por meio desta abordagem, Simone e seus colegas descobriram que “neste material, a repulsão entre os elétrons e, portanto, suas propriedades isolantes, desaparece mesmo a temperatura ambiente. É uma observação muito interessante, pois este é o pré-requisito essencial para transformar um material em um supercondutor.”

O desafio agora é ir mudando cuidadosamente a estrutura química do material - sua receita - até conseguir que a supercondutividade se manifeste a temperatura ambiente. [Imagem: Simone Peli et al. - 10.1038/nphys4112]

Impactos ambientais positivos

       Tendo descoberto que os pré-requisitos para a fabricação de um supercondutor à temperatura ambiente de fato existem, a equipe acredita que agora será uma questão de calibrar os ingredientes que formam o material para obter um supercondutor a temperatura ambiente.

       “Poderemos usar este material como um ponto de partida e mudar sua composição química, por exemplo,” explicaram os pesquisadores.

       Quando conseguirem isto - além de ficarem todos milionários - eles estarão lançando as bases de uma verdadeira revolução industrial, mudando toda a infraestrutura energética, o que incluirá uma drástica redução no consumo de energia, com enormes impactos ambientais positivos.

Bibliografia:

Mottness at finite doping and charge instabilities in cuprates. Simone Peli, S. Dal Conte, R. Comin, N. Nembrini, A. Ronchi, P. Abrami, F. Banfi, G. Ferrini, D. Brida, S. Lupi, M. Fabrizio, A. Damascelli, M. Capone, G. Cerullo, C. Giannetti. Nature Physics. DOI: 10.1038/nphys4112.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutor-temperatura-ambiente-mesmo-possivel&id=010115170522&ebol=sim

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

Pesquisadores descobrem novas propriedades da supercondutividade (Waterloo physicists discover new properties of superconductivity)

 Físicos da Universidade de Waterloo descobriram, num determinado tipo de supercondutor de alta temperatura, evidência experimental do que é conhecido como nematicidade eletrônica - quando nuvens de elétrons se encaixam dentro de uma ordem direcional e alinhada. Os resultados podem eventualmente levar a uma teoria que explique por que a supercondutividade ocorre em temperaturas mais elevadas em certos materiais.

       “Neste estudo, identificamos alguns alinhamentos inesperados dos elétrons - um achado que provavelmente é genérico para os supercondutores de alta temperatura e com o tempo pode vir a ser um ingrediente-chave do problema”, diz David Hawthorn, professor no departamento de Física e Astronomia da Universidade de Waterloo.

Os resultados mostram evidências de nematicidade eletrônica como uma característica universal em supercondutores de alta temperatura (os cupratos). Cupratos são cerâmicas de óxido de cobre, compostas de camadas bidimensionais ou planos de cobre e oxigênio, separadas por outros átomos. Eles são conhecidos como os melhores supercondutores de alta temperatura. Mas esses supercondutores de alta temperatura tem sido um desafio para prever, muito menos explicar.

       “Tornou-se evidente nos últimos anos que os elétrons envolvidos na supercondutividade podem formar padrões, listras ou tabuleiros de damas, e exibem diferentes simetrias – alinhando preferencialmente ao longo de uma direção. Esses padrões e simetrias levam a consequências importantes para a supercondutividade - eles podem competir, coexistir ou até mesmo melhorar a supercondutividade,” diz David Hawthorn.

       Os cientistas usaram uma nova técnica chamada espalhamento de raios-x macio, no Canadian Light Source, para sondar o espalhamento dos elétrons em camadas específicas da estrutura cristalina do cuprato. Especificamente, eles observaram os planos individuais de CuO₂ onde a nematicidade eletrônica ocorre, contra as distorções cristalinas entre os planos de CuO₂.

       A nematicidade eletrônica acontece quando os orbitais dos elétrons se alinham como uma série de hastes (bastões). O termo nematicidade comumente se refere a cristais líquidos quando se alinham espontaneamente sob um campo elétrico. Neste caso, os orbitais dos elétrons entram no estado nemático quando a temperatura cai abaixo de um ponto crítico.

       Os cupratos podem se tornar supercondutores pela adição de elementos que removem elétrons do material, um processo conhecido como dopagem. Um material pode ser otimamente dopado para alcançar a supercondutividade a uma temperatura mais elevada e mais acessível, mas para estudar como a supercondutividade ocorre, os físicos frequentemente trabalham com o material “underdoped”, ou seja, quando o nível de dopagem é menor do que o necessário para maximizar a temperatura supercondutora.

       Os resultados deste estudo mostram que provavelmente a nematicidade eletrônica ocorre em todos os cupratos “underdoped”.

       Os físicos também querem compreender a relação da nematicidade com um fenômeno conhecido como flutuações nas ondas de densidade de carga (charge density wave). Normalmente, os elétrons estão numa boa, distribuídos uniformemente, mas o ordenamento de carga pode fazer com que os elétrons se agrupem, como ondulações em uma lagoa. Isso configura uma competição, em que o material está flutuando entre os estados supercondutor e normal até que a temperatura esfrie o suficiente para a supercondutividade prevalecer.

       Embora não exista ainda um consenso sobre o porquê a nematicidade eletrônica ocorre, ela pode vir a apresentar outro botão para sintonizar a busca por um supercondutor que funcione à temperatura ambiente.

       “O trabalho futuro vai abordar como a nematicidade eletrônica pode ser sintonizada, ao modificar a estrutura cristalina”, diz David Hawthorn.

Fonte: https://uwaterloo.ca/stories/waterloo-physicists-discover-new-properties

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