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”.
