Brasileiros avançam na compreensão da supercondutividade

Com informações da Agência Fapesp -  25/06/2018

Além de cabos supercondutores para transmissão de energia, há grande expectativa sobre os chips supercondutores.[Imagem: Sander Münster, Kunstkosmos]

Temperaturas dos supercondutores

Descoberto acidentalmente há mais de um século, o fenômeno da supercondutividade continua a prometer uma revolução tecnológica.

Foi em 1911, ao estudar o comportamento do metal mercúrio quando resfriado à temperatura de 4 K (-269 °C), que o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) observou, pela primeira vez, a propriedade que alguns materiais possuem de conduzir a corrente elétrica sem resistência nem perdas, nas vizinhanças do zero absoluto.

Na década de 1980, o interesse pelo assunto se renovou quando se obteve experimentalmente a supercondutividade em temperaturas relativamente mais altas, da ordem de 90 K (-183 °C). Esse número tem sido superado de forma consistente: Em 2015, uma equipe alemã apresentou um supercondutor "quente" que trabalha a -70 °C.

Transição de Mott

Mas o que realmente motiva esse campo de pesquisas é a busca pela realização da supercondutividade a temperatura ambiente.

É nesse contexto que se insere um estudo realizado por físicos da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em Rio Claro (SP), em colaboração com a Universidade Paris Sul, na França.

Em diversos materiais, a fase supercondutora se manifesta na proximidade da chamada 'fase isolante de Mott' [Nevill Francis Mott (1905-1996)]. A transição metal-isolante de Mott é uma mudança abrupta na condutividade elétrica que ocorre a uma dada temperatura quando a repulsão de Coulomb entre os elétrons se torna comparável à energia cinética dos elétrons livres.

"Quando a repulsão de Coulomb passa a ser relevante, os elétrons, antes itinerantes, se tornam localizados, minimizando assim a energia total do sistema. Essa localização eletrônica constitui a 'fase isolante de Mott'. Em alguns casos, um processo ainda mais exótico acontece. Devido às interações entre elétrons ocupando sítios vizinhos da rede, os elétrons se rearranjam na rede de maneira não homogênea. Ocorre, então, a chamada 'fase de ordenamento de carga'. Nosso estudo tratou desse tipo de fenômeno," explicou o professor Valdeci Pereira de Souza, coordenador da pesquisa.

Quando ocorre a fase de ordenamento de carga, a distribuição não homogênea das cargas, por vezes acompanhada de uma distorção da rede cristalina, faz com que o material passe a exibir uma polarização elétrica e, consequentemente, um comportamento ferroelétrico. É a chamada "fase ferroelétrica de Mott-Hubbard" [John Hubbard (1931-1980)].

Sais de Fabre

Para explorar experimentalmente essas fases exóticas, os pesquisadores da Unesp trabalharam com os chamados "sais de Fabre", materiais formados a partir de uma molécula orgânica, a TMTTF (tetrametiltetrathiafulvaleno), que apresenta uma configuração simétrica, com uma ligação dupla de carbono no centro e dois radicais metil de cada lado. O material foi estudado em um criostato, que permite alcançar um ponto frio e magnético, com temperatura de 1,4 Kelvin e campo de 12 Teslas.

"Com tal ferramenta experimental, nos propusemos não apenas a caracterizar materiais, embora isso seja importante, mas a investigar propriedades fundamentais da matéria, que se manifestam em condições extremas. Os sais de Fabre apresentam diagramas de fase extremamente ricos para quem empreende esse tipo de pesquisa. Os referidos sistemas moleculares já haviam sido explorados por meio de ressonância magnética nuclear, espectroscopia de infravermelho e outras técnicas. O que fizemos essencialmente foi medir sua constante dielétrica no regime de baixas frequências," disse Mariano.

Vale lembrar que a constante dielétrica varia de material para material e, embora seja uma grandeza macroscópica, nos diz quão polarizável um material pode ser.

      “Tendo em vista que os sais de Fabre são materiais altamente anisotrópicos, ou seja, com propriedades de transporte que dependem expressivamente da direção cristalográfica, quando o ordenamento de carga ocorre, temos a polarização elétrica de Mott-Hubbard ao longo da pilha de moléculas [TMTTF] que formam o material. Tal polarização é expressiva e já havia sido reportada na literatura em 2001. Em nosso novo trabalho, medimos pela primeira vez a contribuição iônica para a constante dielétrica nestes materiais. Verificamos que, à medida que se reduz a temperatura, a contribuição iônica também diminui dando lugar à fase de Mott-Hubbard. Esta foi uma observação nova, sem registro na literatura científica, uma contribuição genuinamente nossa,” finalizou Mariano.

Bibliografia:

Probing the ionic dielectric constant contribution in the ferroelectric phase of the Fabre salts. Mariano de Souza, Lucas Squillante, Cesar Sônego, Paulo Menegasso, Pascale Foury-Leylekian, Jean-Paul Pouget. Physical Review B. 

DOI: 10.1103/PhysRevB.97.045122
https://arxiv.org/pdf/1801.00626.pdf

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=brasileiros-avancam-compreensao-supercondutividade&id=010175180625#.W1IG-NJKiDI

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

Nova liga supercondutora alterna entre fases (Copper stripes help iron pnictide lock in insulating state)

A nova liga do Rice Center for Quantum Material’s é o primeiro supercondutor à base de ferro que pode ser continuamente ajustado da fase supercondutora à fase isolante de Mott. Crédito: Jeff Fitlow/Rice University

Físicos do Rice Center for Quantum Material’s (RCQM) criaram um novo material à base de ferro que oferece pistas sobre as origens microscópicas da supercondutividade de alta temperatura. O material que contém os elementos ferro, sódio, cobre e arsênio foi obtido pelo estudante Rice Yu Song no laboratório do físico Pengcheng Dai.

O material foi obtido pela mistura de ingredientes em uma atmosfera de argônio puro selada em recipientes de niobio e ‘cozida’ a quase 1.000 ºC. A liga exibe camadas em que ferro e cobre se separam em listras alternadas. Essa característica é crítica para a utilidade do material em explicar as origens da supercondutividade de alta temperatura, disse o diretor do RCQM, Qimiao Si.

“Ao formar esse padrão regular, Yu Song removeu fisicamente a desordem do sistema, e isso é crucial para ser capaz de dizer algo significativo sobre o que está acontecendo eletronicamente”, disse Si, um físico teórico que trabalhou para explicar as origens da supercondutividade de alta temperatura e fenômenos semelhantes há quase duas décadas.

“O problema central da supercondutividade de alta temperatura é entender a relação precisa entre esses dois estados fundamentais da matéria (isolante e supercondutor) e a transição de fase entre eles”, disse Dai, professor de física e astronomia em Rice. “A mudança macroscópica é evidente, mas as origens microscópicas do comportamento estão abertas à interpretação, em grande parte porque há muitas variáveis ​​em jogo, e a relação entre elas é simultaneamente sinérgica e não-linear”.

Dai afirma que duas escolas de pensamento “se desenvolveram desde o início, um deles foi o campo itinerante, que argumenta que ambos os estados, em última instância, surgem de elétrons itinerantes. Afinal, esses materiais são metais, mesmo que sejam metais pobres”. O outro campo é o localizado, que argumenta que a física fundamentalmente nova surge devido às interações elétron-elétron no ponto crítico em que os materiais transitam de uma fase para a outra.

As medidas do novo material suportam a teoria localizada. Este sistema é o primeiro membro de uma classe de supercondutores à base de ferro chamados pnictídeos, que podem ser ajustados entre duas fases concorrentes: a fase supercondutora e um ‘isolante de Mott’ na qual os elétrons ficam bloqueados e não fluem.

A estrutura cristalina do novo material em camadas inclui listras alternadas de ferro (azul) e cobre (vermelho). O striping é crítico para a utilidade do material na explicação das origens da supercondutividade de alta temperatura. Crédito: Yu Song/Rice University

“A descoberta que Yu Song fez é que este material é mais correlacionado, o que é evidente devido à fase isolante de Mott”, disse Dai. “Esta é a primeira vez que alguém relata um supercondutor de ferro que pode ser continuamente sintonizado da fase supercondutora à fase isolante de Mott”.

“Nós mostramos que se a interação era fraca, mesmo substituindo 50% do ferro com cobre ainda não seria suficiente para produzir o estado isolante”, disse Si. “O fato de que nossos experimentalistas conseguiram transformar o sistema em isolante de Mott, fornece evidência direta de fortes interações elétron-elétron nos pnictídeos. Isto é um importante passo porque sugere que a supercondutividade deve estar amarrada com estas fortes correlações de elétrons”.

Fonte1: https://phys.org/news/2016-12-copper-stripes-iron-pnictide-insulating.html

Fonte2: http://www.nature.com/articles/ncomms13879

Mais próximo de um novo tipo de computador (One step closer to a new kind of computer)

Esta imagem mostra a resistência diferencial.

Um grupo internacional de físicos, incluindo Aleksander Golubov, chefe do Laboratório de Fenômenos Quânticos Topológicos em Supercondutores, recentemente apresentou os resultados de um novo fenômeno. Os resultados podem ajudar os cientistas na criação de um novo tipo de transição isolante-condutor.

       Pesquisadores realizaram uma série de experimentos com isolantes de Mott. Estes materiais, de acordo com a teoria de bandas, devem ser condutores, mas na prática são dielétricos (isolantes). Em termos gerais, o mecanismo por trás dessa anomalia é conhecido por físicos, embora uma teoria completa para isolantes de Mott ainda não existe. Eles não entendem completamente como os materiais se transformam de isolantes em condutores.

       Ao mesmo tempo, as estimativas preliminares indicam que este efeito é capaz de abrir um novo caminho para computadores mais rápidos. A transição ocorre sob a influência de vários fatores, incluindo um campo magnético, o que permite que seja controlado a partir do exterior. Isto torna possível aos investigadores permitir o fluxo de corrente ou interrompê-lo num ponto necessário. Tal esquema pode substituir transistores comuns e, neste caso, torná-los mais rápidos e mais compactos. Mas, para isso, os cientistas devem utilizar a teoria da transição de Mott.

       A teoria pertence às concepções fundamentais que explicam as propriedades elétricas de uma substância. Ela tem uma relação direta não somente com o comportamento isolante de Mott, mas também com a supercondutividade e os fundamentos da spintrônica, uma tecnologia que pode permitir o controle do spin do elétron. Supercondutividade e spintrônica estão entre essas tendências, onde se pode esperar avanços tecnológicos radicais, o que torna o entendimento da natureza da transição de Mott tão importante - e não apenas um ponto de vista puramente teórico.

       Em sua nova pesquisa, os físicos usaram um modelo especial que lhes permitiu estudar processos quânticos no isolante de Mott com a ajuda dos chamados vórtices magnéticos. Neste modelo proposto por Valery Vinokur e David Nelson em 1993, a corrente elétrica aciona um vórtice quântico em um material supercondutor, e pode-se considerar tal vórtice o portador de carga. Neste ponto, o que é mais significativo e sobre o qual Vinokur e Nelson escreveram ao discutir transições de fase, o supercondutor com vórtices se comportou como qualquer líquido superfluido ou como o vidro, através do qual a corrente elétrica não pode passar. Variando a temperatura e o campo magnético, os cientistas converteram a amostra de um estado para outro, e estas observações, juntamente com o conjunto de dados mais recentes foram usadas como uma base para a nova pesquisa.

Esta imagem mostra a matriz feita a partir de ilhas de nióbio usada nas experiências, e o relevo da seção transversal, bem como uma vista geral (C) no microscópio óptico.

       Para a nova experiência, os cientistas criaram uma matriz quadrangular de ilhas de nióbio com diâmetro de cerca de 220 nanômetros sobre silício. Eles construíram a amostra usando métodos padrão de litografia, e, em seguida, colocaram em um criostato resfriando para 1,4 K, o que é inferior à temperatura de transição supercondutora do nióbio. As ilhas de nióbio tornaram-se supercondutoras, vórtices magnéticos se formaram nelas, e os investigadores analisaram o comportamento do sistema em diferentes condições.

       Em particular, eles mediram a resistência da amostra e descobriram que esta quantidade se transforma de forma não linear com um campo magnético crescente. De um ponto de vista teórico, os resultados sugerem que se pode ver a transição de Mott como a transição de uma substância de um estado líquido a um gás, o que abre oportunidades adicionais para analisar o fenômeno a partir da perspectiva da termodinâmica. O esquema experimental desenvolvido pelos cientistas torna as experiências relativamente simples, porque eles têm uma quantidade suficiente de métodos de litografia e temperaturas comparáveis ​​com a do hélio líquido. Vale destacar que as baixas temperaturas foram alcançadas sem o uso do caríssimo hélio líquido.

Resistência não linear da amostra e a influência de campos magnéticos sobre a resistência elétrica.

Fonte1: https://mipt.ru/en/news/motttransition

Fonte2: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-09/miop-osc091515.php

Fonte3: http://www.sciencemag.org/content/349/6253/1202