Modelo dos mapas de
spin no material ferro-telúrio-enxofre. A coluna da esquerda mostra três
modelos de correlações de spin, com as cores vermelho e verde correspondentes aos
spins orientados em direção oposta. As imagens à direita mostram os padrões de
espalhamento de nêutrons para cada caso. A partir de (a), que representa as
correlações dominantes em alta temperatura, observe como os spins formam
quadrados alternados como um tabuleiro de xadrez na projeção plana, e como o “padrão
quadrado de dança” muda para padrão de diagonais em (b), que ocorre a baixas
temperaturas, e finalmente alternando em listras previsto de existir em um bom supercondutor
(c).
Apesar de
um quarto de século de investigação desde a descoberta dos primeiros supercondutores
de alta temperatura, os cientistas ainda não têm uma imagem clara de como esses
materiais são capazes de conduzir eletricidade sem perda de energia. Os estudos
até agora se centram na busca da ordem eletrônica e magnética de longo alcance
nos materiais, tais como padrões de spins de elétrons, com base na crença de
que esta ordem é subjacente a supercondutividade. Mas um novo estudo está
desafiando essa noção.
O estudo descreve como um material de
ferro-telureto relacionado a uma família de supercondutores de alta temperatura
desenvolve a supercondutividade sem a ordem eletrônica ou magnética de longa
distância quando dopado com uma pequena quantidade de enxofre. Na verdade, o
material apresenta um estado magnético tipo-líquido, que consiste de duas fases
magnéticas coexistentes e desordenadas, as quais parecem preceder e podem estar
associadas ao seu comportamento supercondutor.
“Nossos resultados desafiam uma série de paradigmas
amplamente aceitos em como os supercondutores não convencionais trabalham”,
disse o principal pesquisador do estudo, o físico Brookhaven Igor Zaliznyak.
“Eu acredito que
nós descobrimos uma importante pista para a natureza do magnetismo e suas
conexões com a supercondutividade em supercondutores à base de ferro”.
Este avanço poderá abrir um novo caminho para explorar o surgimento de uma
propriedade com grande potencial para uso generalizado.
A dança quadrada magnética
Zaliznyak e colaboradores
estudaram o material supercondutor não convencional feito de ferro e telúrio
(FeTe), utilizando espalhamento de nêutrons. Criaram mapas de dispersão
magnética para o material a várias temperaturas e com o material dopado com uma
pequena quantidade de enxofre. Como uma fotografia composta de várias fotos
separadas, os mapas unem diversos “instantâneos” da ordem magnética no material.
Eles descobriram que a ordem foi de
natureza extremamente local, existindo apenas por um instante antes de mudar, uma
característica de comportamento tipo-líquido. Os resultados revelaram que uma
mudança fundamental no local, padrão tipo-líquido das correlações eletrônicas de
spin foi a mudança chave que acompanhou o surgimento de supercondutividade.
“As medições revelam arranjos dinâmicos de momentos
magnéticos semelhantes aos padrões formados por dançarinos em uma pista de
dança”, disse Zaliznyak.
“À medida que a
temperatura foi reduzida, os átomos magnéticos pareciam mudar seus padrões,
neste caso, o movimento da dança foi iniciado pelos elétrons que eventualmente
evoluem para o estado supercondutor”.
Um raro olhar para o estado líquido
Além de
oferecer uma visão sobre um potencial mecanismo para o surgimento de
supercondutividade de alta temperatura, este trabalho também fornece informações
valiosas sobre a natureza dos líquidos. Apesar de estar entre os mais comuns sistemas
da matéria condensada, líquidos ainda são pouco conhecidos em nível
microscópico. Na verdade, a natureza dinâmica e fugaz da ordem local em
líquidos é o que os tornam particularmente difíceis de estudar.
A ideia de que os líquidos podem ser uma
mistura de dois líquidos diferentes que têm diferentes estruturas e densidades
locais, remonta ao final do século XIX. Mesmo agora, a possível existência de
diferentes “polimorfos” líquidos em fluidos moleculares simples, e transições
de fase líquido-líquido entre eles, continua a receber considerável atenção no
mundo da investigação. Mas o problema não tinha sido resolvido, principalmente
porque a concorrência entre as diferentes fases líquidas só surge a
temperaturas muito baixas.
“Em alguns materiais, no entanto, essa concorrência surge
naturalmente em sistemas de momentos magnéticos eletrônicos, onde o
desenvolvimento da ordem magnética é dificultada pelas interações concorrentes”,
disse Zaliznyak. “Nestes casos, o material
continua a ser desordenado, mesmo a temperaturas muito mais baixas do que a
energia das interações magnéticas, produzindo, assim, um estado líquido de spin
eletrônico”.
“Nossos resultados que estudam o sistema de spin no FeTe
dopado com enxofre é um exemplo experimental raro de um polimorfismo líquido”.
Percepções mais inesperadas
Os
resultados do grupo também refutam outro conjunto de pontos de vista amplamente
aceitos dos estados eletrônicos em metais, onde os elétrons só estão
autorizados a ocupar um determinado conjunto de rígidas bandas de energia. O
estado líquido de spin descoberto parece refletir a existência de novos
híbridos elétron-orbital, provavelmente resultante da dopagem de enxofre, mas
também provocada por mudanças de temperatura.
“Esta é uma
descoberta surpreendente que exige uma profunda revisão do modelo tight binding”, disse Zaliznyak.
Ele e seu grupo também podem ter
encontrado uma explicação para os misteriosos padrões de espalhamento de
nêutrons observados por outros grupos que estudam amostras de supercondutores
baseados em ferro.
“Parece que toda a variedade nos padrões de nêutrons que
foram observadas nesses materiais pode ser bem descrita por nosso modelo de
spin-líquido”, disse ele. “Eles todos se manifestam com correlações locais muito
semelhantes, revelando que nós podemos ter encontrado uma incrível universalidade
intrínseca entre eles”.
