Usando campos magnéticos para entender a supercondutividade de alta temperatura (Using magnetic fields to understand high-temperature superconductivity)

Brad Ramshaw, cientista do Los Alamos National Laboratory (LANL) realiza um experimento no Pulsed Field Facility of the National High Magnetic Field Lab, expondo supercondutores de alta temperatura a campos magnéticos muito elevados, mudando a temperatura na qual os materiais se tornam supercondutores e revelando propriedades únicas destas substâncias. Crédito: Los Alamos National Laboratory

Cientistas do Los Alamos National Laboratory estão expondo supercondutores de alta temperatura a campos magnéticos muito elevados, mudando a temperatura que os materiais se tornam supercondutores e revelando propriedades únicas destas substâncias.

       “As medidas de campo magnético em supercondutores de alta temperatura estão pavimentando o caminho para uma nova teoria da supercondutividade”, diz Brad Ramshaw, um cientista do Los Alamos National Laboratory e principal pesquisador do projeto.

       O objetivo final da pesquisa é criar um supercondutor que opere à temperatura ambiente e não necessite de resfriamento. Todos os dispositivos que fazem uso de supercondutores, tais como os imãs MRI encontrados em hospitais, devem ser resfriados a temperaturas muito abaixo de zero, com nitrogênio líquido ou hélio, adicionando custo e complexidade à empresa.

“Esta é uma experiência verdadeiramente histórica que ilumina um problema de importância central para a física da matéria condensada”, disse Gregory Boebinger, cientista-chefe do Condensed Matter Science no National High Magnetic Field Laboratory's. “O sucesso deste trabalho é resultados das equipes terem as melhores amostras, os mais altos campos magnéticos, as técnicas mais sensíveis, e a criatividade inspirada por uma equipe de investigação multi-institucional”.

       Os supercondutores de alta temperatura, tais como o óxido de ítrio, bário e cobre (YBa₂Cu₃O_6+x), não podem ser explicados pela teoria BCS, e assim os pesquisadores necessitam de uma nova teoria para estes materiais. Um aspecto interessante dos supercondutores de alta temperatura, é que se pode alterar a temperatura de transição supercondutora (T_C) por doping, ou seja, alterando o número de elétrons que participam da supercondutividade.

       A pesquisa da equipe do Los Alamos descobriu que a dopagem do YBa₂Cu₃O_6+x onde a temperatura crítica é mais alta (dopagem ótima), os elétrons se tornam muito pesados e se movimentam de forma correlacionada.

       “Isso nos diz que os elétrons estão interagindo muito fortemente quando o material é um supercondutor ideal”, disse Ramshaw. “Essa é uma peça vital de informação para construir a próxima teoria da supercondutividade”.

       “Um problema de destaque na supercondutividade de alta T_C tem sido a questão de saber se um ponto quântico crítico - um valor especial de dopagem onde flutuações quânticas levam a fortes interações elétron-elétron - está elevando notavelmente a T_C nestes materiais”, disse ele. “Prova de sua existência nunca foi encontrada devido à natureza robusta da supercondutividade em cupratos, se os cientistas demonstrarem que existe um ponto quântico crítico, isso constituiria um marco significativo para a resolução do mecanismo de emparelhamento supercondutor, explicou Ramshaw.

       “Montar as peças deste complexo quebra-cabeça da supercondutividade foi uma tarefa difícil que envolveu cientistas de todo o mundo por décadas”, disse Charles H. Mielke, diretor do Pulsed Field Facility of the National High Magnetic Field Lab. “Embora o quebra-cabeça esteja incompleto, esta peça essencial liga resultados experimentais indiscutíveis de aspectos fundamentais da física da matéria condensada”.

       A equipe mediu oscilações quânticas magnéticas em função da dopagem em campos magnéticos muito fortes. Campos magnéticos elevados permitem que o estado normal seja acessado através da supressão da supercondutividade. Os campos que se aproximam de 100 T, em particular, permitem que as oscilações quânticas sejam medidas muito próximas do máximo na temperatura de transição, T_C ~ 94 K. Essas oscilações quânticas fornecem aos cientistas uma imagem de como os elétrons estão interagindo uns com os outros antes que eles se tornem supercondutores.

       Investigando uma gama muito ampla de dopagens, os autores mostraram que existe um forte aumento da massa efetiva na dopagem ótima. Um forte incremento da massa efetiva é a assinatura no aumento da força de interação entre os elétrons, e a assinatura de um ponto quântico crítico. A quebra de simetria responsável por este ponto ainda não foi fixada, embora uma conexão com o ordenamento de carga parece ser provável, observa Ramshaw.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-03-magnetic-fields-high-temperature-superconductivity.html#nRlv

Fonte2: http://www.sciencemag.org/content/348/6232/317

Pontos quânticos críticos na transição de fase normal-supercondutor (two-stage magnetic-field-tuned superconductor–insulator transition)

X. Shi, Ping V. Lin, T. Sasagawa, V. Dobrosavljevic, D.Popovic. Two-stage magnetic-field-tuned superconductor-insulator transition inunderdoped La2-xSrxCuO4. NaturePhysics, Published Online (4 May 2014); doi:10.1038/nphys2961

      Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio desvendaram as complexidades das flutuações de fase quântica durante a transição supercondutor-isolante em supercondutores de alta temperatura. A transição supercondutor-isolante (SI) nos cupratos é normalmente feita pela aplicação de um campo magnético. No entanto, devido às complexidades da supercondutividade, muitas questões ainda devem ser respondidas sobre o processo exato que está subjacente à transição e as fases quânticas associadas que o material sofre. Os cientistas pensavam que os supercondutores de alta temperatura tinha um único ponto quântico crítico na transição supercondutor-isolante. Agora, uma equipe internacional de pesquisadores dos EUA e do Japão, descobriram uma transição de dois estágios no sistema LSCO (lantânio-estrôncio-cobre-oxigênio).

“A delicada interação de flutuações térmicas, flutuações quânticas e desordem, leva a um complexo diagrama de fase de matéria de vórtice H-T [campo magnético-temperatura]”, afirmam os autores em seu artigo publicado na revista Nature Physics. 

Os pesquisadores mediram a resistividade elétrica do material em campos magnéticos de até 18 T em diferentes temperaturas abaixo de 0,09 K, revelando a imagem completa do SI. Eles utilizaram uma variedade de LSCOs que tinham sido criados usando técnicas diferentes, de modo a separar os efeitos de preparação da amostra. A equipe de Sasagawa descobriu que os LSCOs mostram uma transição de fase em duas etapas induzida pelo campo magnético, a T = 0 K, antes de se tornarem isolantes. Primeiro, o material forma um estado supercondutor contendo a rede de vórtice conhecida como ‘‘vidro de Bragg’’. Nesta fase, o material apresenta resistividade zero a temperatura finita. Depois de um primeiro ponto crítico atingido, ele passa para uma fase supercondutora desordenada, ou ‘‘vidro de vórtice’’, em que o arranjo dos vórtices torna-se amorfo. Nesta fase, a resistividade zero só é obtida no zero absoluto. Depois de um segundo ponto crítico alcançado, a supercondutividade é perdida e os LSCOs tornam-se isolantes.

Os investigadores concluem: 

“Nossos resultados fornecem informações importantes sobre a interação da física de vórtices e a criticalidade quântica em supercondutores de alta temperatura, fazendo a ponte entre o seu comportamento na região ‘clássica’ de alta T e a menos explorada região 'quântica' de baixa T.”

O trabalho realizado pelos pesquisadores da Florida State University (liderada pelo professor Popovic) e Tokyo Institute of Technology (liderada pelo professor Sasagawa) prova pela primeira vez que supercondutores de alta temperatura (LSCO) passam por dois pontos quânticos críticos antes de se tornarem isolantes, devido ao sutil efeito das flutuações de temperatura e perturbações do campo magnético sobre o estado de vórtice. Sua pesquisa pode melhorar a compreensão da supercondutividade de alta temperatura sob campos magnéticos e fornecer uma informação importante sobre a aplicação de supercondutores de alta temperatura. 

Fonte 1: http://phys.org/news/2014-05-insights-stages-high-temperature-superconductivity.html

Fonte 2: X. Shi, Ping V. Lin, T. Sasagawa, V. Dobrosavljevic, D. Popovic. Two-stage magnetic-field-tuned superconductor-insulator transition in underdoped La_2-xSr_xCuO₄. Nature Physics, Published Online (4 May 2014);DOI: 10.1038/nphys2961.