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.
