Ferro
(Fe) círculos verdes, selênio (Se) círculos azuis. A temperatura de transição
supercondutora é sintonizada através da introdução de elétrons por deposição de
átomos de potássio K (círculos laranja) na superfície. Círculos amarelos
representam um par de elétrons supercondutores (par de Cooper). (Imagem: Takashi
Takahashi)
Um grupo de pesquisa da Universidade de Tohoku conseguiu
fabricar um filme supercondutor atomicamente fino de alta temperatura crítica (TC
= 60 K ou -213 °C). A equipe, liderada pelo professor Takashi
Takahashi, também estabeleceu o método para controlar/sintonizar a TC.
Esta descoberta não só fornece uma plataforma ideal para
investigar o mecanismo da supercondutividade no sistema bidimensional, mas
também abre o caminho para o desenvolvimento de dispositivos supercondutores em
nanoescala da próxima geração. Os resultados da pesquisa foram publicados na
revista Nature
Materials (clique
aqui).
Supercondutores são considerados como um dos candidatos
mais promissores para os dispositivos eletrônicos avançados da próxima geração.
Porém, a aplicação de supercondutores em dispositivos tem sido muito difícil. O
maior obstáculo é a necessidade de um sistema de refrigeração grande e dispendioso
com hélio líquido, devido à baixa TC dos supercondutores
convencionais, que é próxima do zero absoluto (0 K ou -273 °C). Também tem sido
um grande desafio realizar a integração de alta densidade de supercondutores em
dispositivos eletrônicos. A fim de ultrapassar estes problemas, é
definitivamente necessário desenvolver um novo supercondutor com TC
superior que possa ser fabricado numa película fina.
A equipe de pesquisa da Universidade de Tohoku voltou sua
atenção para o seleneto de ferro (FeSe), que é um membro dos supercondutores à base
de ferro. Enquanto a TC do FeSe é de apenas 8 K (-265 °C), a
assinatura de uma maior TC tem sido sugerida em filmes ultrafinos e
sua verificação foi urgentemente necessária.
Inicialmente, os pesquisadores fabricaram filmes
atomicamente finos de FeSe de alta qualidade. Os filmes possuem espessura entre
uma monocamada (que corresponde a 3 átomos de espessura) e vinte monocamadas (60
átomos de espessura), e foram fabricados usando a técnica Molecular Beam Epitaxy (MBE – feixe molecular epitaxial). Em
seguida, eles investigaram cuidadosamente a estrutura eletrônica dos filmes finos
usando o método Angle-Resolved
Photoemission Spectroscopy (ARPES - espectroscopia de fotoemissão com
resolução angular).
Elétrons
são emitidos a partir da superfície pela incidência de luz ultravioleta. A
estrutura eletrônica do cristal é determinada através da medição da energia
e o ângulo de emissão dos elétrons. (Imagem: Takashi
Takahashi)
Nas medidas da ARPES, os investigadores observaram a
abertura de um gap supercondutor a baixa temperatura, que é uma prova direta da
emergência da supercondutividade nos filmes. Os investigadores encontraram que a
TC estimada a partir do gap em um filme de monocamada é surpreendentemente
elevada (acima de 60 K), que é cerca de 8 vezes maior do que a TC de
amostras volumétricas do FeSe.
Enquanto filmes multicamadas não mostram
supercondutividade, os pesquisadores descobriram um novo método para depositar
átomos alcalinos sobre os filmes e controlar a densidade de elétrons no filme.
Ao empregar este método, os pesquisadores conseguiram converter os filmes multicamadas
de não-supercondutores em supercondutores de alta TC ~ 50 K.
O resultado dá um grande impacto para ambas as pesquisas
básicas e aplicadas em supercondutores. Pode conduzir à intensas pesquisas visando
aumentar ainda mais a TC, alterando o número de camadas atômicas, a
quantidade de elétrons dopados e as espécies do substrato. Abre uma via para o
desenvolvimento de um nanodispositivo supercondutor que consiste em partes de
tamanho atômico. O supercondutor ultrafino de alta-TC pode contribuir
eficazmente para o redimensionamento significativo e consequente integração de
alta densidade em circuitos elétricos, levando à realização de dispositivos
eletrônicos de futura geração com alta economia de energia e operação de ultra-alta
velocidade.
