Supercondutores podem detectar a matéria escura (Superconductors could detect superlight dark matter)

Um conjunto maciço de galáxias conhecidas como Abell 1689, captadas pelo Hubble. A lente gravitacional observada pelo Hubble em Abell 1689 indica a presença de matéria escura. Crédito: NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI),G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), ACS Science Team, ESA

      Muitas experiências estão atualmente à procura de matéria escura, substância invisível que os cientistas sabem que existe pelo seu efeito gravitacional sobre estrelas, galáxias e outros objetos. Na Terra, os cientistas estão usando aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider (LHC), para procurar a matéria escura. Embora os pesquisadores tenham varrido todas as suas bases de localização, esses detectores podem não ser sensíveis o suficiente para detectar a matéria escura se a massa da matéria escura for menor do que 10 GeV (10 bilhões de elétrons-volt).

       Para resolver este problema, os físicos estão trabalhando no desenvolvimento de detectores mais sensíveis. Em um novo estudo, os cientistas propuseram um novo tipo de detector feito de supercondutores. A matéria escura tem uma massa na faixa de 1 keV (1000 elétrons-volt) a 10 GeV, até um milhão de vezes mais leve do que o próton.

       “A maior importância do nosso trabalho é a capacidade potencial para detectar a matéria escura com massa entre mil a um milhão de vezes mais leve do que a massa do próton,” disse Kathryn M. Zurek, uma das principais pesquisadoras envolvidas no trabalho. “Detectores supercondutores são a única proposta para a matéria escura nesta faixa de massa”.

       Embora a maior parte da matéria escura não interaja com qualquer coisa, os cientistas assumem que ela interage com a matéria comum de alguma forma, ou então eles não poderiam detectá-la no laboratório. Mas não está claro se a matéria escura interage com os elétrons, núcleos, ambos, ou qualquer outra coisa.

       Em geral, os detectores de matéria escura são baseados no princípio de que, se uma partícula de matéria escura atingisse o detector e interagisse com ele, a colisão iria produzir outros tipos de partículas, tal como um fóton ou fônons (um quanta de vibração) numa energia específica. O material do detector é de extrema importância, pois a interação entre a matéria escura e o detector determina as propriedades específicas da partícula que é produzida. Alguns dos detectores mais sensíveis são feitos hoje em dia de xenônio líquido (detector de LZ), cristal de germânio (SuperCDMS), e outros materiais semelhantes.

       No novo estudo, os físicos mostraram que um detector de matéria escura feito de um supercondutor, tal como alumínio ultrapuro, pode ser o material mais sensível, capaz de detectar a matéria escura com uma massa de algumas centenas de keV ou menos. A sensibilidade resulta do fato de que os supercondutores possuem um band gap de zero ou muito próximo de zero. O alumínio, por exemplo, tem um pequeno gap na faixa de 0,3 MeV (0,0003 eV).

       A ideia é que uma das partículas de matéria escura que pode estar constantemente fluindo através da Terra espalhe um elétron livre no supercondutor. Em um supercondutor, os elétrons livres estão ligados em pares de Cooper com uma energia de ligação de 0,001 eV. Se uma partícula de matéria escura tem energia suficiente para promover um elétron acima do gap do material, ele vai quebrar o par de Cooper. Desta forma, o supercondutor absorve a energia da partícula de matéria escura. Em seguida, um segundo dispositivo (um calorímetro) mede a energia térmica depositada no absorvedor, proporcionando evidência direta da partícula de matéria escura.

       Os físicos preveem que melhorias razoáveis ​​na tecnologia de detector de corrente pode tornar este conceito viável no futuro próximo. Um dos maiores desafios será reduzir o ruído a partir de fontes diferentes da matéria escura, como o térmico e o ambiental. Se o detector supercondutor puder ser construído, ele irá fornecer o teste mais sensível até o momento da matéria escura e dar aos cientistas uma chance melhor de descobrir do que é feita a maior parte da matéria no universo.

Fonte1: http://phys.org/news/2016-02-superconductors-superlight-dark.html

Fonte2: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b07848

Desvendando complexas fases eletrônicas em um supercondutor (Unraveling the complex, intertwined electron phases in a superconductor)

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.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-10-unraveling-complex-intertwined-electron-phases.html

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3519.html