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

Dois líquidos de spin em um supercondutor à base de ferro (Two spin liquids square off in an iron-based superconductor)

Modelo dos mapas de spin no material ferro-telúrio-enxofre. A coluna da esquerda mostra três modelos de correlações de spin, com as cores vermelho e verde correspondentes aos spins orientados em direção oposta. As imagens à direita mostram os padrões de espalhamento de nêutrons para cada caso. A partir de (a), que representa as correlações dominantes em alta temperatura, observe como os spins formam quadrados alternados como um tabuleiro de xadrez na projeção plana, e como o “padrão quadrado de dança” muda para padrão de diagonais em (b), que ocorre a baixas temperaturas, e finalmente alternando em listras previsto de existir em um bom supercondutor (c).

Apesar de um quarto de século de investigação desde a descoberta dos primeiros supercondutores de alta temperatura, os cientistas ainda não têm uma imagem clara de como esses materiais são capazes de conduzir eletricidade sem perda de energia. Os estudos até agora se centram na busca da ordem eletrônica e magnética de longo alcance nos materiais, tais como padrões de spins de elétrons, com base na crença de que esta ordem é subjacente a supercondutividade. Mas um novo estudo está desafiando essa noção.

       O estudo descreve como um material de ferro-telureto relacionado a uma família de supercondutores de alta temperatura desenvolve a supercondutividade sem a ordem eletrônica ou magnética de longa distância quando dopado com uma pequena quantidade de enxofre. Na verdade, o material apresenta um estado magnético tipo-líquido, que consiste de duas fases magnéticas coexistentes e desordenadas, as quais parecem preceder e podem estar associadas ao seu comportamento supercondutor.

       “Nossos resultados desafiam uma série de paradigmas amplamente aceitos em como os supercondutores não convencionais trabalham”, disse o principal pesquisador do estudo, o físico Brookhaven Igor Zaliznyak. “Eu acredito que nós descobrimos uma importante pista para a natureza do magnetismo e suas conexões com a supercondutividade em supercondutores à base de ferro”. Este avanço poderá abrir um novo caminho para explorar o surgimento de uma propriedade com grande potencial para uso generalizado.

A dança quadrada magnética

Zaliznyak e colaboradores estudaram o material supercondutor não convencional feito de ferro e telúrio (FeTe), utilizando espalhamento de nêutrons. Criaram mapas de dispersão magnética para o material a várias temperaturas e com o material dopado com uma pequena quantidade de enxofre. Como uma fotografia composta de várias fotos separadas, os mapas unem diversos “instantâneos” da ordem magnética no material.

       Eles descobriram que a ordem foi de natureza extremamente local, existindo apenas por um instante antes de mudar, uma característica de comportamento tipo-líquido. Os resultados revelaram que uma mudança fundamental no local, padrão tipo-líquido das correlações eletrônicas de spin foi a mudança chave que acompanhou o surgimento de supercondutividade.

       “As medições revelam arranjos dinâmicos de momentos magnéticos semelhantes aos padrões formados por dançarinos em uma pista de dança”, disse Zaliznyak. “À medida que a temperatura foi reduzida, os átomos magnéticos pareciam mudar seus padrões, neste caso, o movimento da dança foi iniciado pelos elétrons que eventualmente evoluem para o estado supercondutor”.

Um raro olhar para o estado líquido

Além de oferecer uma visão sobre um potencial mecanismo para o surgimento de supercondutividade de alta temperatura, este trabalho também fornece informações valiosas sobre a natureza dos líquidos. Apesar de estar entre os mais comuns sistemas da matéria condensada, líquidos ainda são pouco conhecidos em nível microscópico. Na verdade, a natureza dinâmica e fugaz da ordem local em líquidos é o que os tornam particularmente difíceis de estudar.

       A ideia de que os líquidos podem ser uma mistura de dois líquidos diferentes que têm diferentes estruturas e densidades locais, remonta ao final do século XIX. Mesmo agora, a possível existência de diferentes “polimorfos” líquidos em fluidos moleculares simples, e transições de fase líquido-líquido entre eles, continua a receber considerável atenção no mundo da investigação. Mas o problema não tinha sido resolvido, principalmente porque a concorrência entre as diferentes fases líquidas só surge a temperaturas muito baixas.

       “Em alguns materiais, no entanto, essa concorrência surge naturalmente em sistemas de momentos magnéticos eletrônicos, onde o desenvolvimento da ordem magnética é dificultada pelas interações concorrentes”, disse Zaliznyak. “Nestes casos, o material continua a ser desordenado, mesmo a temperaturas muito mais baixas do que a energia das interações magnéticas, produzindo, assim, um estado líquido de spin eletrônico”.

       “Nossos resultados que estudam o sistema de spin no FeTe dopado com enxofre é um exemplo experimental raro de um polimorfismo líquido”.

Percepções mais inesperadas

Os resultados do grupo também refutam outro conjunto de pontos de vista amplamente aceitos dos estados eletrônicos em metais, onde os elétrons só estão autorizados a ocupar um determinado conjunto de rígidas bandas de energia. O estado líquido de spin descoberto parece refletir a existência de novos híbridos elétron-orbital, provavelmente resultante da dopagem de enxofre, mas também provocada por mudanças de temperatura.

       “Esta é uma descoberta surpreendente que exige uma profunda revisão do modelo tight binding”, disse Zaliznyak.

       Ele e seu grupo também podem ter encontrado uma explicação para os misteriosos padrões de espalhamento de nêutrons observados por outros grupos que estudam amostras de supercondutores baseados em ferro.

       “Parece que toda a variedade nos padrões de nêutrons que foram observadas nesses materiais pode ser bem descrita por nosso modelo de spin-líquido”, disse ele. “Eles todos se manifestam com correlações locais muito semelhantes, revelando que nós podemos ter encontrado uma incrível universalidade intrínseca entre eles”.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-08-liquids-square-iron-based-superconductor.html

Fonte2: http://www.pnas.org/content/early/2015/07/28/1503559112