Pesquisadores descobrem novas propriedades da supercondutividade (Waterloo physicists discover new properties of superconductivity)

 Físicos da Universidade de Waterloo descobriram, num determinado tipo de supercondutor de alta temperatura, evidência experimental do que é conhecido como nematicidade eletrônica - quando nuvens de elétrons se encaixam dentro de uma ordem direcional e alinhada. Os resultados podem eventualmente levar a uma teoria que explique por que a supercondutividade ocorre em temperaturas mais elevadas em certos materiais.

       “Neste estudo, identificamos alguns alinhamentos inesperados dos elétrons - um achado que provavelmente é genérico para os supercondutores de alta temperatura e com o tempo pode vir a ser um ingrediente-chave do problema”, diz David Hawthorn, professor no departamento de Física e Astronomia da Universidade de Waterloo.

Os resultados mostram evidências de nematicidade eletrônica como uma característica universal em supercondutores de alta temperatura (os cupratos). Cupratos são cerâmicas de óxido de cobre, compostas de camadas bidimensionais ou planos de cobre e oxigênio, separadas por outros átomos. Eles são conhecidos como os melhores supercondutores de alta temperatura. Mas esses supercondutores de alta temperatura tem sido um desafio para prever, muito menos explicar.

       “Tornou-se evidente nos últimos anos que os elétrons envolvidos na supercondutividade podem formar padrões, listras ou tabuleiros de damas, e exibem diferentes simetrias – alinhando preferencialmente ao longo de uma direção. Esses padrões e simetrias levam a consequências importantes para a supercondutividade - eles podem competir, coexistir ou até mesmo melhorar a supercondutividade,” diz David Hawthorn.

       Os cientistas usaram uma nova técnica chamada espalhamento de raios-x macio, no Canadian Light Source, para sondar o espalhamento dos elétrons em camadas específicas da estrutura cristalina do cuprato. Especificamente, eles observaram os planos individuais de CuO₂ onde a nematicidade eletrônica ocorre, contra as distorções cristalinas entre os planos de CuO₂.

       A nematicidade eletrônica acontece quando os orbitais dos elétrons se alinham como uma série de hastes (bastões). O termo nematicidade comumente se refere a cristais líquidos quando se alinham espontaneamente sob um campo elétrico. Neste caso, os orbitais dos elétrons entram no estado nemático quando a temperatura cai abaixo de um ponto crítico.

       Os cupratos podem se tornar supercondutores pela adição de elementos que removem elétrons do material, um processo conhecido como dopagem. Um material pode ser otimamente dopado para alcançar a supercondutividade a uma temperatura mais elevada e mais acessível, mas para estudar como a supercondutividade ocorre, os físicos frequentemente trabalham com o material “underdoped”, ou seja, quando o nível de dopagem é menor do que o necessário para maximizar a temperatura supercondutora.

       Os resultados deste estudo mostram que provavelmente a nematicidade eletrônica ocorre em todos os cupratos “underdoped”.

       Os físicos também querem compreender a relação da nematicidade com um fenômeno conhecido como flutuações nas ondas de densidade de carga (charge density wave). Normalmente, os elétrons estão numa boa, distribuídos uniformemente, mas o ordenamento de carga pode fazer com que os elétrons se agrupem, como ondulações em uma lagoa. Isso configura uma competição, em que o material está flutuando entre os estados supercondutor e normal até que a temperatura esfrie o suficiente para a supercondutividade prevalecer.

       Embora não exista ainda um consenso sobre o porquê a nematicidade eletrônica ocorre, ela pode vir a apresentar outro botão para sintonizar a busca por um supercondutor que funcione à temperatura ambiente.

       “O trabalho futuro vai abordar como a nematicidade eletrônica pode ser sintonizada, ao modificar a estrutura cristalina”, diz David Hawthorn.

Fonte: https://uwaterloo.ca/stories/waterloo-physicists-discover-new-properties

Estado eletrônico inusitado encontrado em nova classe de supercondutores não convencionais (unusual electronic state found in new class of unconventional superconductors)

Em cima: ondulações estende abaixo a cadeia de átomos quebram a simetria translacional (como um tabuleiro de xadrez com quadrados pretos e brancos), o que causaria pontos extras no padrão de difração (mostrado como pontos vermelhos no padrão de difração subjacente). Abaixo: alongamento ao longo de uma direção quebra a simetria rotacional, mas não a simetria translacional (como um tabuleiro de xadrez com quadrados idênticos, mas esticada em um dos sentidos), sem causar pontos de difração adicionais. Os experimentos provaram que estes novos supercondutores têm o segundo tipo de distribuição de densidade de elétrons, chamado nemático. Crédito da imagem: Ben Frandsen.

        Uma equipe de cientistas do U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, Columbia Engineering, Columbia Physics e da Universidade de Kyoto, descobriu uma forma incomum de ordem eletrônica em uma nova família de supercondutores não convencionais. A descoberta, descrita na revista Nature Communications, estabelece uma conexão inesperada entre esse novo grupo de supercondutores de titânio-oxipnictídeos e os mais familiares cupratos e ferro-pnictídeos, fornecendo aos cientistas uma nova família de materiais a partir dos quais eles podem ganhar uma percepção mais profunda dos mistérios da supercondutividade de alta temperatura.

        “Encontrar este novo material é um pouco como um arqueólogo encontrar um novo túmulo do faraó egípcio”, disse Simon Billinge, físico da Universidade de Columbia que liderou a equipe. “À medida que tentar resolver os mistérios por trás da supercondutividade não convencional, precisamos descobrir sistemas diferentes, mas relacionadas para nos dar um quadro mais completo do que está acontecendo, exatamente como um sepulcro novo com tesouros não encontrado antes, dará um retrato mais completo da sociedade egípcia antiga”. Cada nova descoberta de um tema comum entre estes materiais está ajudando os cientistas a desbloquear as peças do quebra-cabeça.

        Um dos maiores mistérios é entender como os elétrons interagem em supercondutores de alta temperatura, por vezes, tentando evitar um ao outro e em outras vezes emparelhando-se – uma característica fundamental que lhes permite transportar corrente sem resistência. Os cientistas que estudam estes materiais em Brookhaven e em outros lugares descobriram tipos especiais de estados eletrônicos, tais como “ondas de densidade de carga”, onde as cargas se agrupam para formar listras e padrões de xadrez. Ambos quebram a “simetria translacional” do material, a repetição da mesmice quando você se move através da superfície (por exemplo, movendo-se através de um tabuleiro de xadrez você se move de quadrados brancos para quadrados pretos).

        Outro padrão observado pelos cientistas nas duas classes mais famosas de supercondutores de alta temperatura é a quebra de simetria rotacional sem mudança na simetria translacional. Neste caso, chamado ordem nemática, cada espaço em branco é o tabuleiro de damas, mas as formas dos espaços são distorcidas de um quadrado para um retângulo; quando você girar e girar em um espaço, seu espaço vizinho é mais próximo ou mais distante, dependendo da direção em sua face. Tendo observado esse estado inesperado nos cupratos e ferro-pnictídeos, os cientistas estavam ansiosos para ver se esta ordem eletrônica incomum também seria observada em uma nova classe de supercondutores de alta temperatura de titânio-oxipnictídeos descobertos em 2013.

        “Esses compostos de titânio-oxipnictídeos são estruturalmente semelhantes aos outros sistemas supercondutores exóticos, e eles tinham todos os sinais reveladores de uma quebra de simetria, como anomalias de resistividade e medidas termodinâmicas. Mas não havia nenhum sinal de qualquer tipo de onda densidade de carga em qualquer medição anterior. Era um mistério”, disse Emil Bozin, cujo grupo no Brookhaven é especialista na busca de simetrias quebradas em locais escondidos. “Foi natural para nós saltar sobre este problema”.

        A equipe procurou o efeito da quebra de simetria rotacional, uma questão que tinha sido levantada por Tomo Uemura de Columbia, utilizando amostras fornecidas por seus colaboradores no grupo de Hiroshi Kageyama da Universidade de Kyoto. Eles realizaram dois tipos de estudos de difração: de nêutrons e de elétrons. “Nós usamos estas técnicas para observar o padrão formado por feixes de partículas filmados através de amostras de pó dos supercondutores sob uma faixa de temperaturas e outras condições para ver se há uma mudança estrutural que corresponde à formação deste tipo especial de estado nemático”, disse Ben Frandsen, estudante de pós-graduação em física na Universidade de Columbia e principal autor do estudo.

Os experimentos revelaram uma distorção da quebra de simetria a baixa temperatura. Um esforço colaborativo entre os experimentalistas e teóricos estabeleceu a natureza nemática particular da ordem. “Crítico neste estudo foi o fato de que nós pudemos trazer rapidamente vários métodos experimentais complementares, juntamente com conhecimentos teórico, por termos a maior parte dos especialistas no laboratório de Brookhaven e fortes colaborações com colegas de Columbia e além”, disse Billinge.

        A descoberta da ‘nematicidade’ em titânio-oxipnictídeos, juntamente com o fato de que suas propriedades químicas e estruturais se conectam às dos supercondutores de alta temperatura (cupratos e ferro-pnictídeos), tornam esses materiais um novo e importante sistema para ajudar a compreender o papel da quebra de simetria eletrônica na supercondutividade. Como Billinge observou: “Esta nova tumba do faraó, na verdade continha um tesouro: nematicidade”.

Fonte1: http://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=11684

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2014/141208/ncomms6761/full/ncomms6761.html