Representação da onda de densidade de carga. Este padrão
de halteres, cada uma representando o orbital em um átomo de oxigênio, pode
parecer estático, mas se você olhar de perto, você verá que as cores dos
orbitais mudam quando você se move da esquerda para a direita. Esta mudança de
cor (amarelo, branco, azul, branco, amarelo, branco, azul ...) representa
mudanças na densidade de carga (alto, médio, baixo, médio, alto, médio, baixo
...) que se move através do plano da esquerda para a direita. Crédito: Laboratório Nacional de Brookhaven
Uma equipe liderada por pesquisadores do Brookhaven National Laboratory
e da Universidade de Cornell nos EUA identificou
um arranjo chave de elétrons em um supercondutor de alta temperatura. O
material é um membro da família dos cupratos, compostos supercondutores à base
de cobre e oxigênio que são os principais candidatos para inúmeras aplicações
de alto impacto.
O fenômeno que eles estudaram é conhecido como uma onda de densidade de
elétrons. Ao contrário de outros elétrons no material que se movem livremente,
a onda de densidade de elétrons é uma fase periódica, fixa que parece competir
com e dificultar a fase supercondutora. Muitos pesquisadores acreditam que a
onda de densidade é a chave para desvendar os cupratos: se eles compreenderem
completamente a onda de densidade de elétrons, então podem ser capazes de
determinar como suprimi-la ou removê-la para induzir a supercondutividade,
possivelmente, até mesmo à temperatura ambiente. Mas, para atingir esse
objetivo, eles devem primeiro obter uma compreensão completa das causas da onda
de densidade de elétrons.
Este estudo é o primeiro a identificar as origens em escala atômica e
influências que produzem a onda de densidade em cupratos. “Em um metal, você tem elétrons que vão em
todas as direções, com uma vasta gama de energias e momentos. É quase como um
gás de elétrons”, disse o cientista chefe do estudo, Séamus Davis, um de físico
Brookhaven. “Qual
desses elétrons fornecem os componentes que compõem o estado onda de densidade
em cupratos? Fomos capazes de responder a esta pergunta. Nós identificamos
tanto a energia e momentos dos elétrons relevantes”.
Outra peça do quebra-cabeça
Existem diversos membros conhecidos da família dos cupratos. O ‘melhor’ descoberto
até agora funciona como um supercondutor a cerca de 140 K (-130 °C),
aproximadamente a meio caminho entre o zero absoluto (-273 °C) e a temperatura
ambiente (21 °C). Todos têm estruturas em camadas, com a supercondutividade ocorrendo
nas camadas de óxido de cobre (CuO2), cada uma com
apenas uma molécula de espessura. Além da fase supercondutora, estes materiais
apresentam uma outra forma misteriosa de ordem eletrônica, chamada de “pseudogap”.
Embora muito mal compreendida, em geral, a sua escala de energia
característica, chamada de gap de energia, está bem estabelecida. O grupo do
professor Davis e outros estudaram esta fase extensivamente.
No ano passado, juntamente com outros pesquisadores, a equipe estabeleceu a
primeira ligação entre o desaparecimento da onda de densidade na fase pseudogap
e a emergência, como afirma Davis, de “elétrons universalmente livres necessários para a
supercondutividade irrestrita”.
Em trabalho mais recente, o resultado mais importante parece sugerir uma
outra ligação íntima entre a onda de densidade de elétrons e a fase pseudogap: a
energia característica de modulação da onda de densidade é igual à energia do pseudogap.
Além disso, eles mostraram que os elétrons que compõem a onda de densidade de
elétrons têm a característica dinâmica na qual o pseudogap aparece. A
implicação fundamental é que o estado de pseudogap é de alguma forma o ‘pai’ do
estado de onda de densidade.
Imagem de elétrons com elétrons
A nova abordagem experimental e o conceito do estudo em si foram concebidos
depois de um dos autores do estudo, o físico teórico Subir Sachdev, considerar o
comportamento da onda de densidade de elétrons diferente ao longo das
diferentes ligações na célula unitária de CuO2.
“Ao olhar para alguns dos dados anteriores obtidos
pelo grupo de Davis, notei que o comportamento dos elétrons era exclusivo para
as ligações horizontais no plano CuO2”, disse ele. “Eu me perguntei se isso poderia ser a onda de densidade de
carga”.
Ele contatou Davis
e eles começaram a projetar o experimento. Eles propuseram uma nova maneira de
estudar um cuprato, que nenhum outro grupo havia tentado: uma potente técnica
de imagem desenvolvida por Davis,
chamada de imagem de sub-rede, é feita utilizando um microscópio de varredura
por tunelamento (STM) capaz de determinar a estrutura eletrônica em diferentes subconjuntos
de átomos no cristal, as chamadas sub-redes.
Um STM fotografa uma amostra usando elétrons; o tipo usado aqui pode ‘ver’
detalhes menores do que a célula unitária do cristal CuO2. Ele usa uma ponta metálica muito afiada, colocada
extremamente perto da superfície da amostra, menos de um décimo de nanômetro de
distância. Uma pequena voltagem é então aplicada através da ponta e da amostra,
o que, por causa da sua proximidade, permite o tunelamento de elétrons através
do espaço de vácuo entre a ponta e a amostra. A taxa de elétrons que passa
através da ponta, ou em outras palavras, a corrente é uma medida da densidade
de elétrons na fina região da amostra diretamente abaixo dela. Então, quando a
ponta é passada através da superfície de amostra, cria-se uma imagem espacial
da densidade de elétrons e, em separado, da rede cristalina.
