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

Uma rota para desenvolver nanodispositivos supercondutores (A route to developing superconducting nano-devices)

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 (T_C = 60 K ou -213 °C). A equipe, liderada pelo professor Takashi Takahashi, também estabeleceu o método para controlar/sintonizar a T_C.

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 T_C 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 T_C 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 T_C do FeSe é de apenas 8 K (-265 °C), a assinatura de uma maior T_C 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 T_C 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 T_C 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 T_C ~ 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 T_C, 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-T_C 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.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40278.php

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4302.html

Pesquisadores traçam últimas descobertas de supercondutores à base de ferro (Scientists in China and US chart latest discoveries of iron-based superconductors)

Estrutura cristalina de diversos tipos de supercondutores à base de ferro. A = metal alcalino; Ae = alcalino terroso; Ln = lantanídeo; M = metal de transição

Em um artigo publicado no National Science Review, cientistas comentam as recentes descobertas acerca dos supercondutores à base de ferro (pnictídeos) que possuem elevadas temperaturas de transição (T_C). Eles apresentam uma visão geral das propriedades físicas, descrevem a dependência da temperatura de transição com a estrutura cristalina, a interação entre antiferromagnetismo e supercondutividade, e suas propriedades eletrônicas obtidas por espectroscopia de foto-emissão com resolução angular.

        “Tem sido um sonho obter supercondutores de alta-T_C ou à temperatura ambiente, o que pode revolucionar a transmissão de energia no mundo”, explicam os pesquisadores. Um impulso para acelerar esta pesquisa foi desencadeado pela descoberta, há quase duas décadas, de um cuprato supercondutor de alta T_C. A segunda classe de materiais de alta T_C são os supercondutores à base de ferro (pnictídeos), descobertos inicialmente em 2008. A maior T_C destes sistemas é 55 K para o SmO_1-XF_xFeAs.

        Até agora foram descobertas muitas famílias de pnictídeos supercondutores. “Estudar suas propriedades tem sido uma das principais atividades em física da matéria condensada nos últimos anos”, afirmam os autores do estudo.

        Várias técnicas novas e poderosas como espectroscopia de foto-emissão com resolução angular, microscopia de tunelamento, difração de nêutrons, ressonância magnética nuclear etc. foram aplicadas para examinar as propriedades dos novos compostos.

        Os pnictídeos possuem muitas características em comum com os cupratos. Ambos são supercondutores não convencionais no sentido de que fônons não desempenham papel dominante na supercondutividade. Ambos são quase-2D, e sua supercondutividade está na proximidade do antiferromagnetismo. Nos cupratos, a física de baixa energia é descrita por uma única banda, enquanto nos pnictídeos, existem múltiplos orbitais envolvidos. No entanto, alguns aspectos dos cupratos permanecem controversos. Aprofundar o conhecimento dos pnictídeos pode ampliar a compreensão da supercondutividade não convencional e fornecer uma nova rota para encontrar supercondutores a temperaturas mais elevadas. Mapeando avanços recentes, os autores descrevem a estrutura cristalina, a interação entre magnetismo e supercondutividade e a estrutura eletrônica de pnictídeos. No artigo, também são revisadas teorias vigentes sobre a supercondutividade.

Pnictídeos supercondutores estão próximos do antiferromagnetismo (AF), o que sugere que as flutuações de AF são responsáveis ​​pela supercondutividade. Investigar o mecanismo da supercondutividade deve priorizar, em parte, a causa do emparelhamento de elétrons. A descrição teórica da supercondutividade em cupratos e pnictídeos continua a ser um grande desafio. Pnictídeos são materiais multi-banda. Todos os cinco orbitais 3d do Fe hibridizam fortemente com os orbitais 4p do Se e têm contribuição de elétrons condutores itinerantes e localizados.

        Cientistas ainda estão tentando desenvolver uma imagem física clara com ferramentas teóricas confiáveis ​​para tratar um sistema eletrônico com forte acoplamento entre elétrons itinerantes e localizados. É igualmente importante conceber medidas experimentais que poderiam resolver uma série de problemas-chave, que por sua vez poderiam testar teorias sobre a supercondutividade em pnictídeos. Segundo os pesquisadores, “os progressos alcançados nos estudos do mecanismo da supercondutividade em pnictídeos poderiam ter um forte impacto sobre a teoria de sistemas quânticos fortemente correlacionados”.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-01-scientists-china-latest-discoveries-iron-based.html

Fonte2: http://nsr.oxfordjournals.org/content/early/2014/07/03/nsr.nwu007.full

Encontrada a “impressão digital” dos supercondutores de alta temperatura (High-temperature superconductor 'fingerprint' found)

“Impressão digital” distinguindo flutuações de spin antiferromagnéticas de flutuações de fônons no LiFeAs. Fonte: http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1402/1402.3714.pdf

Pesquisadores podem ter encontrado a resposta para um grande desafio em física da matéria condensada: identificar o porquê ocorre a supercondutividade ‘não convencional’. Eles isolaram uma “impressão digital” que identifica flutuações específicas que força os elétrons em pares, tornando o material um supercondutor de alta temperatura.

       A supercondutividade supera a repulsão que ocorre naturalmente entre os elétrons, quantificada pela lei de Coulomb, que normalmente impede seu emparelhamento. Em supercondutores ‘convencionais’, isto é, metais que permitem que os elétrons fluam sem resistência a temperaturas muito próximas do zero absoluto, há bom entendimento do por que acontece a supercondutividade. Nesse caso, o emparelhamento de elétrons é dirigido pela troca de vibrações na estrutura cristalina do material, que se tornam suficientemente fortes para superar a repulsão de Coulomb. Esse mecanismo só funciona em temperaturas extremamente frias em que os elétrons se movem muito lentamente.

       Cerca de três décadas atrás, os físicos começaram a estudar os supercondutores ‘não convencionais’, que 'superconduzem' a temperaturas 100 vezes maior. Isso ainda não é próximo da temperatura ambiente de nenhum lugar, mas o mecanismo do por que isso acontece a tais temperaturas relativamente elevadas é um mistério de longa data, e com profundas implicações para a física quântica.

       Em artigo na Nature Physics, o princípio geralmente aceito que a equipe provou é que pequenos jiggles (‘sacudidas’) de padrões de spin dos elétrons, chamados de flutuações de spin, são o que fazem com que os elétrons formem pares. Nestes supercondutores não convencionais, os elétrons tendem a formar antiferromagnetos, o que significa que os elétrons, visualizadas como pequenos ímãs, tendem a alinhar os polos opostos. Esta tendência, anterior ao início do ordenamento antiferromagnético, provoca jiggles dos spins, com o sistema inteiro querendo formar um padrão fixo.

       O fato dessas flutuações de spin poder fornecer emparelhamento de elétrons foi suspeitado muitas vezes, mas provar tem sido um grande desafio, explicou Eun-Ah Kim, professora de física.

“Os métodos usados para metais simples como o alumínio não servem para os supercondutores de altas temperaturas”, disse ela. Isto é particularmente verdadeiro para uma nova classe de supercondutores convencionais à base de ferro, porque estes materiais são os chamados sistemas de banda múltipla. Isso significa que os elétrons com uma determinada energia pode ter vários valores diferentes do momentum com velocidades radicalmente diferentes.

       A equipe de Kim descobriu como medir a mudança nas energias dos elétrons em momentums particulares no sistema de multibanda devido à influência das flutuações de spin, baseando-se em princípios como a conservação do momentum e da energia - o mesmo princípio que se aplica para as trajetórias de colisão de bolas de bilhar.

       Através de cálculos, eles diferenciaram com êxito a ‘impressão digital’ de flutuações de spin, que é distinta da impressão digital de vibrações da rede que iria se manifestar em uma medição de energia-momentum. A equipe empregou uma técnica de medição de energia-momentum chamada quasiparticle interference imaging, iniciada pelo grupo do professor Seamus Davis, para confirmar a impressão digital das flutuações de spin em supercondutores de arsênico ferro-lítio.

       “A abordagem que adotamos pode levar a aplicações mais amplas e formas de confirmar a ideia”, diz Kim. “O conceito de flutuações antiferromagnéticas mediadoras da supercondutividade não pode ser provada rigorosamente teoricamente; é um desafio que exige experiência e teoria trabalhando juntos”.

Fonte1: http://news.cornell.edu/stories/2015/01/high-temperature-superconductor-fingerprint-found

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n2/full/nphys3187.html

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

Pesquisadores desenvolvem modelo computacional para prevê a ocorrência da supercondutividade (Rutgers team develops computational model for predicting superconductivity)

As 15 caixas nesta imagem mostram a intensidade simulada de excitações de spin em 15 materiais à base de ferro, incluindo os compostos de ferro que são supercondutores (imagens d-h). O eixo x mostra o momento da excitação de spin em locais selecionados do espaço 3D, o eixo y mostra a energia medida em eV. A cor indica a intensidade de excitações de spin com uma dada energia e quantidade de movimento, comparada com os resultados experimentais disponíveis (barras pretas nas imagens de f, g, l, m). Ao visualizar a dinâmica de spin de múltiplos materiais à base de ferro – informação que pode ser lenta e cara de obter experimentalmente – os pesquisadores podem prever melhor quais materiais são susceptíveis de serem supercondutores.

Pesquisadores que estudam supercondutores à base de ferro estão combinando novos algoritmos de estrutura eletrônica com o poder de computação de alto desempenho do supercomputador Titan para prever dinâmica de spin, ou as formas como os elétrons orientam e correlacionam seus spins em um material. Os pesquisadores sugeriram que a dinâmica de spin cria as condições necessárias para a supercondutividade. Esta abordagem poderia acelerar a busca por novos materiais supercondutores.

        Em um artigo da Nature Physics, os autores calcularam os fatores estruturais da dinâmica de spin - uma medida de como os spins se alinham um em relação ao outro a uma determinada distância – em 15 materiais diferentes à base de ferro, incluindo vários supercondutores. “Nossos resultados computacionais estão em boa concordância com os resultados experimentais e temos várias previsões para compostos que ainda não foram medidos”, disse Kotliar. “Uma vez validada a teoria de que os nossos modelos computacionais são baseados em experimentos, então podemos investigar computacionalmente materiais que não estão sendo estudados experimentalmente.”

        A computação oferece uma maneira para os pesquisadores entenderem melhor a dinâmica de spin e outras propriedades dos materiais em muitas condições, tais como a mudança de temperatura, em vez da condição singular do presente durante um determinado experimento. Também permite simular muitos materiais de uma só vez, e o número de potenciais materiais para explorar aumenta rapidamente à medida que os cientistas introduzem modificações para melhorar o desempenho.

Com o poder computacional disponível no sistema Titan de 27 petaflop, a equipe foi capaz de comparar e dinâmica de spin para todos os 15 materiais simulados de modo a identificar propriedades supercondutoras reveladoras.

        “Ao comparar simulações e experiências, aprendemos sobre qual tipo de flutuações de spin realmente promovem a supercondutividade e quais as que não o fazem”, disse Kotliar.

Em seu modelo, a equipe usou uma técnica chamada Dynamical Mean Field Theory (Teoria de Campo Médio Dinâmico, tradução livre) para reduzir o vasto número de interações envolvendo elétrons em uma célula unitária e atribuir a média dessas interações no ambiente de campo médio em todo o resto do sólido. A equipe usou o método Monte Carlo para selecionar estatisticamente as melhores soluções para estas técnicas, atingindo um novo nível de precisão da previsão para a dinâmica de spin nestes tipos de materiais.

        “Estes problemas complexos, como em supercondutores, onde você tem que resolver muitos graus de liberdade ou de um grande número de variáveis, exigem supercomputação em vez de computação em clusters menores”, disse Haule. “Nossos algoritmos são projetados para trabalhar de forma muito eficiente na arquitetura massivamente paralela do Titã.”

Usando 20 milhões de processadores-hora no Titã, a equipe também descobriu através da simulação de um novo estado supercondutor, ou o emparelhamento de elétrons, encontrada no composto de lítio-ferro arsênico, LiFeAs, que é consistente com os resultados experimentais.

        No futuro, eles planejam para simular a dinâmica de spin em outras classes de supercondutores e em matérias não supercondutores que são excepcionalmente difíceis de estudar experimentalmente, como materiais radioativos.

“Usar a computação como um substituto do experimento é um passo importante para a concepção de novos materiais”, disse Kotliar. “A próxima vez que alguém vier até nós com materiais potenciais para uma aplicação e perguntar: ‘Devo trabalhar sobre isso?’ Esperamos simular o material para selecionar os mais promissores.”

Fonte1: http://www.newswise.com/articles/iron-based-superconductor-simulations-spin-out-new-possibilities-on-titan

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/v10/n11/full/nphys3116.html

Supercondutor à base de ferro tem uma temperatura crítica superior ao nitrogênio líquido (Iron superconductor has a critical temperature above liquid nitrogen)

Influência de um campo magnético externo na resistência nula detectada nas medidas de transporte com o método das quatro pontas em uma amostra de FeSe/STO.

Um filme de camada única de um supercondutor à base de ferro apresentou temperatura crítica superior a do nitrogênio líquido (N_2(l)). Supercondutores refrigerados com N_2(l) são muito mais baratos de operar do que aqueles que necessitam de temperaturas mais baixas.

        Experiências recentes sobre filmes de FeSe crescidos em um substrato de SrTiO₃ (STO) sugerem que efeitos de interface podem ser utilizados como um meio para alcançar supercondutores com temperaturas críticas (T_C) de até 80 K. Isto é cerca de dez vezes a T_C do FeSe e superior ao valor recorde de 56 K para supercondutores à base de Fe.

Crescimento e caracterização de uma película de camada única de alta qualidade do FeSe.

Juntamente com recentes estudos da supercondutividade em interfaces de heteroestruturas, estes resultados reacendem a ideia de longa data que o emparelhamento de elétrons nas interfaces entre dois materiais diferentes podem ser adaptadas para alcançar a supercondutividade de alta temperatura.

Medidas de Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES – espectroscopia de fotoemissão com resolução angular – tradução livre) do sistema FeSe/STO revelaram uma estrutura eletrônica distinta do FeSe, com um gap de energia desaparecendo em torno de 65 K. No entanto, as medidas de transporte elétrico detectaram resistência zero somente abaixo de 30 K. Agora, pesquisadores relataram a observação da supercondutividade acima de 100 K no sistema FeSe/STO, confirmando-o como um material para o estudo da supercondutividade de alta Tc.

Fonte1: http://nextbigfuture.com/2014/11/iron-superconductor-has-critical.html

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4153.html

Mercado global supercondutor impulsionado pelo avanço em pesquisa de materiais à base de ferro (global superconductor market boosted by breakthrough in iron-based materials research)

       Supercondutores tiveram considerável exposição nos meios de comunicação não científicos devido a uma série de descobertas. No início de novembro, pesquisadores da Universidade de Rutgers usaram um supercomputador para desenvolver métodos que podem ser utilizados para identificar quais materiais têm propriedades supercondutoras. Usando milhões de horas de processamento do Titan de 27 petaflop para desenvolver algoritmos de estrutura eletrônica, os pesquisadores foram capazes de modelar a dinâmica de spin em materiais à base de ferro.

       O estudo publicado na revista Nature Physics, oferece novas formas de estudar a dinâmica de spin em materiais não supercondutores, potenciais materiais supercondutores e os materiais que apresentam barreiras para o estudo convencional, tais como aqueles com propriedades radioativas.

      O princípio básico da supercondutividade é relativamente simples. Quando arrefecido até uma temperatura suficientemente fria, alguns materiais permitem o fluxo de corrente elétrica sem qualquer resistência, abrindo um amplo espectro de aplicações potenciais, tais como os magnetos de alto desempenho, cabos de alimentação, limitadores de corrente, equipamento de ressonância magnética nuclear etc. Supercondutores são frequentemente utilizados por empresas de energia para melhorar o desempenho da rede. Uma empresa líder que usa a tecnologia de supercondutores é a American Superconductor, fornecedora de equipamentos elétricos em grande escala para a indústria de energia eólica. O valor de mercado da companhia foi de cerca de US $ 110 milhões, na sequência de uma atualização de resultados trimestrais no início deste mês.

      Embora a mecânica quântica por trás da supercondutividade de alta temperatura ainda ser pouco compreendida, na última década, a ciência tem feito progressos consideráveis com materiais à base de ferro. No início deste ano, pesquisadores do Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory expandiram a fronteira do conhecimento da supercondutividade e magnetismo em supercondutores à base de ferro.

       Pensava-se que magnetismo e supercondutividade não poderiam coexistir uma vez que supercondutores convencionais repelem campos magnéticos. Evidência experimental utilizando uma combinação da scanning transmission electron microscopy com a electron energy loss spectroscopy para caracterizar as propriedades magnéticas dos átomos individuais, indica que rápidas flutuações de momentos magnéticos locais estão correlacionadas com uma elevada temperatura crítica, e pode influenciar o desempenho de supercondutores à base de ferro.

       Além da American Superconductor Corp., as principais empresas que dominam este setor são Bruker Corp., Southwire Co., SuperPower Inc. e Sumitomo Electric Industries Ltd.

Fonte: http://www.companiesandmarkets.com/News/Information-Technology/Global-superconductor-market-boosted-by-breakthrough-in-iron-based-materials-research/NI9789

O papel do magnetismo nos pnictídeos (clues uncovered to role of magnetism in iron-based superconductors)

  

Cientistas do Oak Ridge National Laboratory usaram a microscopia eletrônica de transmissão e varredura para medir o comportamento magnético em escala atômica de várias famílias de supercondutores baseados em ferro.

Novas medidas do comportamento magnético dos pnictídeos estão desafiando o senso comum sobre supercondutividade e magnetismo. O estudo publicado no Advanced Materials fornece evidências experimentais que flutuações magnéticas locais podem influenciar a performance dos pnictídeos.

“No passado, todos pensavam que magnetismo e supercondutividade não podiam coexistir,” afirma Claudia Cantoni, primeira autora do artigo. “A ideia dos supercondutores é que eles expelem campos magnéticos. Mas na realidade, as coisas são mais complicadas.”

        A supercondutividade é fortemente suprimida pela presença do magnetismo de longo alcance, onde átomos alinham seus momentos magnéticos. Mas o estudo sugere que rápidas flutuações dos momentos magnéticos locais tem um efeito diferente. Não só existe o magnetismo localizado, como também ele está relacionado com uma alta temperatura crítica.

“Alguém poderia pensar que para a supercondutividade existir, não só a ordem de longo alcance mas também os momentos magnéticos locais deveriam morrer”, diz Cantoni. “Se tomarmos uma rápida 'foto' do momento local, ele terá seu máximo onde a supercondutividade está em seu máximo. Isto indica que um grande momento local é bom para a supercondutividade.”

Para caracterizar as propriedades magnéticas individuais dos átomos, os pesquisadores usaram uma combinação de duas técnicas: a STM (Scanning Transmission Electron Microscopy) e a EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy). Outras técnicas experimentais não são capazes de obter informações suficientemente detalhadas do momento magnético local.

“Este tipo de medida dos momentos magnéticos geralmente é feita com técnicas que são mais sensíveis ao volume total da amostra, o que significa que eles olham para a média do material”, afirma Cantoni. “Quando você usa o valor médio, não obtém respostas certas”.

Durante quatro anos de estudo, os pesquisadores analisaram compostos de várias famílias de supercondutores a base de ferro (pnictídeos), revelando as tendências universais entre as diferentes amostras. Eles foram capazes de descobrir o número total e a distribuição dos elétrons nos níveis atômicos de energia que determinam os momentos magnéticos locais.

“Verificamos que este número permanece constante para todos os membros desta família”, comenta Cantoni. “O número de elétrons não muda, o que muda são as posições e distribuição dos elétrons nos diferentes níveis. É por isso que o momento magnético difere entre as famílias”.

Os cientistas também dizem que a técnica utilizada por eles nesse estudo poderia ser útil na investigação de outros materiais tecnologicamente interessantes em campos como a eletrônica e armazenamento de dados.

“A microscopia eletrônica tem sido uma técnica de imagem que fornece um monte de informações da estrutura cristalina; agora estamos tentando ir além para obter a estrutura eletrônica,” diz Cantoni. “Não só queremos saber onde os átomos estão, mas o que os elétrons nesses átomos estão fazendo.”

Acesse aqui o artigo: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201401518/abstract

Fonte1: http://www.rdmag.com/news/2014/08/clues-uncovered-role-magnetism-iron-based-superconductors

Fonte2: http://www.ornl.gov/ornl/news/news-releases/2014/ornl-scientists-uncover-clues-to-role-of-magnetism-in-iron-based-superconductors-

Cientistas descobrem nova fase magnética nos pnictídeos (new magnetic phase in iron-based superconductors)

         Pnictídeos são supercondutores à base de ferro que podem ser genericamente representados pela fórmula LnFeAsO_1-xF_x (Ln = lantanídeos). Estes são chamados de oxi-pnictídeos por conter oxigênio. Há também pnictídeos que não contêm oxigênio (Ba_0.6K_0.4Fe₂As₂, Ca_0.6Na_0.4Fe₂As₂, Sr_0.5Sm_0.5FeAsF). Estes sistemas foram descobertos pelo grupo do Hosono (clique aqui).

         Recentemente, uma equipe do U.S. Department of Energy's Argonne National Laboratory descobriu uma nova fase magnética. Segundo Ray Osborn, um dos autores do trabalho, “Estas nova fase magnética que nunca tinha sido observada antes, deve ter significativas implicações em nossa compreensão da supercondutividade não-convencional.” O artigo foi publicado no Nature Communications (clique aqui).

         Nestes compostos, a supercondutividade emerge quando a ordem de densidade de ondas de spin (SDW) é suprimida pela dopagem, pressão ou desordem atômica. A ordem magnética é antecipada pela ordem nemática, cuja origem é desconhecida. A ordem magnética afeta a estrutura atômica. À temperatura ambiente, os átomos de ferro situam-se numa rede quadrada, que tem uma simetria quádrupla, mas quando esfriado abaixo da temperatura de transição magnética, distorcem para formar uma estrutura retangular, com simetria dupla. Os pesquisadores do Argonne descobriram uma fase em que o material retorna à simetria quádrupla próxima do início da supercondutividade.

         “Nossa descoberta mostra que há um romance do estado magnético acima da supercondutividade”, disse Chmaissem, coautor do trabalho. “Além disso, este estado magnético compete com a supercondutividade e em temperatura mais baixa conseguem coexistir. Não há retorno para a simetria dupla. Isso foi completamente inesperado e é agora alvo de um extenso trabalho teórico.”

        

Difração de nêutron mostra o resultado do espalhamento numa amostra de BaFeAs dopado com Na (24%) no sítio do Ba. A ordem nemática se estabelece abaixo de 90 K, mas a simetria quádrupla é restaurada abaixo de 40 K. As estruturas atômica e magnética resultantes são ilustradas na figura à direita, onde as esferas azuis representam átomos de ferro e as setas vermelhas a direção de seus momentos magnéticos. Imagem por Jared Allred.

 Os pesquisadores utilizaram a difração de nêutrons que permite determinar as posições dos átomos e as direções dos seus momentos magnéticos microscópicos. Especula-se que isso pode ajudar a elucidar a supercondutividade nos pnictídeos e que tal explicação se estenda a outros supercondutores.

Fonte 1: http://www.anl.gov/articles/argonne-scientists-discover-new-magnetic-phase-iron-based-superconductors

Fonte 2: http://www.nature.com/ncomms/2014/140522/ncomms4845/full/ncomms4845.html