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

Pesquisadores observam pela primeira vez o análogo do bóson de Higgs em supercondutores (Researchers first to observe Higgs boson analogue in superconductors)

Um gráfico mostra traços de partículas fruto de uma colisão próton-próton no Large Hadron Collider, em 2012. O evento mostra características esperadas do Modelo Padrão para o decaimento do bóson de Higgs em um par de fótons. Uma análise mais aprofundada de colisões feitas em 2011 e 2012 encontrou evidências de que o Higgs também decai em férmions, de acordo com um novo estudo publicado na revista Nature Physics. Crédito: CERN

Uma equipe de pesquisadores liderada por físicos israelenses e alemães afirmam ter observado pela primeira vez evidências do bóson de Higgs em materiais supercondutores.

        Ao contrário das megacaras instalações do CERN - 4,75 bilhões de dólares - estes resultados, apresentados na Nature Physics, foram obtidos através de experimentos realizados em um laboratório regular de custo relativamente baixo.

        “Assim como os experimentos do CERN revelaram a existência do bóson de Higgs em um acelerador de alta energia, temos revelado agora um análogo do bóson de Higgs em supercondutores”, diz o Prof. Aviad Frydman, membro do Departamento de Física da Universidade Bar-Ilan, que dirigiu o estudo em conjunto com o Prof. Martin Dressel, da Universidade de Stuttgart, como parte de uma colaboração internacional que incluiu também outras equipes de Israel, Índia e Estados Unidos.

        Frydman explica que a nova descoberta traz a busca pelo bóson de Higgs de volta à sua fonte. “Ironicamente, enquanto a discussão sobre o ‘elo perdido’ do Modelo Padrão foi inspirada pela teoria dos supercondutores, o modo de Higgs nunca foi observado em supercondutores devido a dificuldades técnicas. Dificuldades que nós conseguimos superar”.

        Frydman e seus colegas descrevem um novo método para a realização dos experimentos: “A alta energia necessária para excitar um modo de Higgs em supercondutores tende a quebrar os pares de elétrons que são as cargas básicas do material. Isso leva a um rápido decaimento em pares partícula-buraco, e suprime a natureza supercondutora do material. Nós resolvemos esse problema usando filmes supercondutores ultrafinos desordenados de nitrito de nióbio (NbN) e óxido de índio (InO) próximo ao ponto crítico supercondutor-isolante - um estado em que a teoria recente prevê que um rápido decaimento de Higgs deixaria de ocorrer. Isso criou as condições para excitar um modo de Higgs a energias relativamente baixas”.

Peter Ware Higgs

(1929 - )

        De acordo com Frydman, a observação do mecanismo de Higgs em supercondutores é significativa porque revela como um único tipo de processo físico se comporta sob condições de energia drasticamente diferentes. “Excitar o modo de Higgs em um acelerador de partículas exige níveis de energia enormes - medido em giga elétrons-volt”, diz Frydman. “Em supercondutores, o fenômeno ocorre em uma escala de energia completamente diferente - apenas um milésimo de um único elétron-volt. Interessante é ver como, mesmo nesses sistemas altamente díspares, a mesma física fundamental está em ação”.

        A natureza robusta do modo de Higgs recém-observado em supercondutores poderia tornar mais fácil para os cientistas estudar a ainda controversa "partícula de Deus" - o evasivo ‘elo perdido’ na teoria padrão da física de partículas que é responsável por conferir massa a toda matéria no universo. Graças a esta nova abordagem, em breve será possível resolver os mistérios de longa data da física fundamental, através de experimentos realizados - não em um complexo de aceleradores de bilhões de dólares - mas em uma mesa de laboratório.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-02-higgs-boson-analogue-superconductors.html

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n2/full/nphys3227.html

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

Eletroímãs supercondutores do LHC: grandes desafios da engenharia (Superconducting electromagnets of the LHC)

Foto: Maximilien Brice, CERN

A maioria das pessoas está familiarizada com ímãs, mas podem não saber que estes são parte integrante de quase todos os modernos aceleradores de partículas. Esses ímãs não são o mesmo que você põe na geladeira. Embora tenham um polo norte e sul, assim como seus ímãs fazem, ímãs de acelerador exigem um pouco de engenharia.

     Quando uma partícula carregada eletricamente, como um próton, se move através de um campo magnético constante, descreve um percurso circular. O tamanho do círculo depende da força dos magnetos e da energia do feixe. Aumentar a energia, o anel se torna maior; aumentar a força dos ímãs, o anel fica menor.

     O Large Hadron Collider é um acelerador, uma palavra crucial que nos lembra que podemos usá-lo para aumentar a energia das partículas do feixe. Se a força dos ímãs permanecer a mesma, então quando aumentarmos a energia do feixe, o tamanho do anel terá que aumentar. Uma vez que o tamanho do anel permanece necessariamente o mesmo, é preciso aumentar a força dos ímãs quando a energia do feixe é aumentada. Por essa razão, os aceleradores de partículas usam um tipo especial de ímã.

     Quando uma corrente elétrica passa através de um fio, ela cria um campo magnético; a intensidade do campo magnético é proporcional à quantidade de corrente elétrica. Ímãs criados dessa forma são chamados de eletroímãs. Ao controlar a quantidade de corrente, podemos fazer eletroímãs de qualquer força que queremos. Podemos até mesmo inverter a polaridade do ímã, invertendo a direção da corrente.

     Dada a ligação entre corrente elétrica e campo magnético, é claro que precisamos de grandes correntes em nossos ímãs aceleradores. Para conseguir isso, usamos os supercondutores, materiais que perdem sua resistência à corrente elétrica quando são arrefecidos o suficiente. E ‘resfriar’ é um eufemismo. Em 1,9 Kelvin, os centros dos ímãs do LHC são um dos lugares mais frios do universo – mais frio do que a temperatura do espaço entre as galáxias.

     Dado o papel central dos ímãs em aceleradores modernos, os cientistas e engenheiros do Fermilab e CERN estão constantemente trabalhando para torná-los ainda mais fortes. Embora os principais ímãs do LHC gerem um campo magnético cerca de 800.000 vezes o da Terra, aceleradores futuros exigirão ainda mais. A tecnologia de eletroímãs é uma parte vibrante e crucial de futuros dos laboratórios.

Fonte: http://www.symmetrymagazine.org/article/january-2015/superconducting-electromagnets-of-the-lhc

Equipe desenvolve novos cristais supercondutores híbridos (team develops new superconducting hybrid crystals)

A interface entre o semicondutor e o metal é perfeita e estabelece os novos cristais híbridos supercondutores, que pode finalmente formar a base para os futuros supercondutores eletrônicos. Crédito: Instituto Niels Bohr

Um novo tipo de cristal de nanofios que combina materiais semicondutores e metálicos em escala atômica pode lançar as bases para futuros semicondutores eletrônicos. Pesquisadores da Universidade de Copenhagen estão por trás do avanço, que tem um grande potencial.

        O desenvolvimento e qualidade de circuitos eletrônicos extremamente pequenos são fundamentais para quão bem os computadores do futuro e outros dispositivos eletrônicos funcionarão. O novo material, composto de um semicondutor e de metal, tem uma propriedade supercondutora especial a temperaturas muito baixas e pode desempenhar um papel central no desenvolvimento da futura eletrônica.

        “Nosso novo material nasceu como um híbrido entre um nanofio semicondutor e seu contato eletrônico. Assim, inventamos uma maneira de fazer uma transição perfeita entre o nanofio e um supercondutor. O supercondutor, neste caso, é de alumínio. Há um grande potencial neste”, diz o professor Thomas Jespersen, que tem trabalhado no assunto por mais de 10 anos.

Nanofio e contato formado ao mesmo tempo

        Nanofios são fios de nanocristais extremamente finos utilizados no desenvolvimento de novos componentes eletrônicos, como transistores e células solares. Parte do desafio de trabalhar com nanofios é a criação de uma boa transição entre esses nanofios e um contacto elétrico com o mundo exterior. Até agora, pesquisadores de todo o mundo têm cultivado os nanofios e o contato separadamente. No entanto, com a nova abordagem, tanto a qualidade como a reprodutibilidade do contato melhoraram consideravelmente.

Nanofios são fios de nanocristais extremamente finos utilizados no desenvolvimento de novos componentes eletrônicos, como transistores e células solares. Crédito: Instituto Niels Bohr

“Os átomos se acomodam em uma estrutura perfeitamente ordenada no nanofio cristalino, não só no semicondutor e no metal, mas também na transição entre os dois componentes muito diferentes, o que é significativo em si mesmo. Pode-se dizer que é o limite final que se poderia imaginar para o quão perfeito uma transição entre um nanofio cristalino e um contato. Claro que isso abre muitas oportunidades de fazer novos tipos de componentes eletrônicos em nanoescala e, em particular, isto significa que podemos estudar as propriedades elétricas com uma precisão muito maior do que antes”, explica o professor Peter Krogstrup, que tem trabalhado duro no laboratório para desenvolver o contato.

Chips com bilhões de nanofios híbridos

Em sua publicação na revista Nature Materials, o grupo de pesquisa tem demonstrado esse contato perfeito e suas propriedades e também tem mostrado que eles podem fazer um chip com bilhões de nanofios híbridos idênticos de semicondutor-metal.

        “Nós pensamos que esta nova abordagem poderia finalmente formar a base para futuros eletrônicos supercondutores, e é por isso que a pesquisa em nanofios é interessante para as maiores empresas de eletrônicos”, diz Thomas Jespersen. Os pesquisadores possuem estreita colaboração em pesquisa com a Microsoft.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-01-team-superconducting-hybrid-crystals.html

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4176.html

A supercondutividade que quer sair do frio (charge ordering in the electron-doped superconductor)

 

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/01/2015

 O ordenamento de cargas em cupratos é um fenômeno geral e não está particularmente associado com as cargas positivas. [Imagem: Eduardo H. da Silva Neto et al. - 10.1126/science.1256441]

        Físicos descobriram pela primeira vez um fenômeno conhecido como ordenamento de cargas, envolvido diretamente com a supercondutividade, em cristais de óxido de cobre dopados com elétrons.

        A descoberta é um passo fundamental rumo à tão sonhada obtenção da resistência elétrica zero a temperatura ambiente.

Ordenamento de cargas

        A supercondutividade ocorre quando os elétrons se juntam em pares e viajam através da rede cristalina de um material sem resistência - esse material é então chamado de supercondutor.

   Em compostos de óxido de cobre, ou cupratos, a supercondutividade é obtida em cristais que possuem elétrons de mais ou de menos.

        Quando elétrons são adicionados, o processo é chamado dopagem de elétrons; quando elétrons são removidos, o processo é chamado de dopagem de lacunas - as quasipartículas portadoras de cargas positivas.

Os físicos sabem já há alguns anos que, em óxidos de cobre dopados com lacunas, um evento chamado ordenamento - ou ordenação - de cargas compete com a supercondutividade quando as temperaturas começam se distanciar das proximidades do zero absoluto, fazendo com que não se consiga a supercondutividade fora da zona das temperaturas criogênicas.

        Em um cristal, os átomos formam redes periódicas altamente organizadas, o mesmo ocorrendo com seus elétrons. Mas, em alguns materiais, uma instabilidade faz com que alguns elétrons se reorganizem para formar novos padrões periódicos de carga, padrões que não acompanham os átomos subjacentes - isto é chamado de ordenamento de cargas.

        Em cupratos dopados com lacunas, o ordenamento de cargas perturba o delicado padrão necessário para a supercondutividade, fazendo o material oscilar entre os dois estados até que a temperatura esfrie o suficiente para que a supercondutividade vença.

Eduardo H. da Silva Neto e Andrea Damascelli no UBC's Quantum Matter Institute. Crédito: University of British Columbia.

Supercondutividade a temperatura ambiente

Agora, Eduardo da Silva Neto e seus colegas do Instituto Canadense de Pesquisas Avançadas detectaram o ordenamento de cargas em cupratos dopados com elétrons, mostrando que o fenômeno é mais geral e não está particularmente associado com as cargas positivas.

        Além disso, o fenômeno foi verificado a uma temperatura mais elevada do que aquela na qual ocorre uma fase conhecida como pseudogap - a fase de transição para a supercondutividade - contrariando o paradigma atual da área, que defende a vinculação entre o pseudogap e o ordenamento de cargas.

        Segundo a equipe, esses novos resultados sugerem uma nova direção para a compreensão da supercondutividade e abrem caminhos para uma supercondutividade a temperatura ambiente - se o ordenamento de cargas é um fenômeno mais geral, e não está ligado à baixa temperatura, pode ser possível influenciar a batalha entre ele e a supercondutividade.

        “A [importância da] descoberta do ordenamento de cargas foi enorme. Ele de fato causou um boom no campo, dando-lhe uma nova vida nos últimos anos,” comentou Eduardo. “Ele nos dá esperança de que, se for possível ajustá-lo ou manipulá-lo no sistema, a temperatura crítica para a supercondutividade pode ser mais alta.”

        Há pouco mais de um mês, outra equipe documentou a supercondutividade a temperatura ambiente em uma cerâmica - mas o fenômeno dura apenas algumas frações de segundo.

Bibliografia:

Charge ordering in the electron-doped superconductor Nd_2-xCe_xCuO₄. Eduardo H. da Silva Neto, Riccardo Comin, Feizhou He, Ronny Sutarto, Yeping Jiang, Richard L. Greene, George A. Sawatzky, Andrea Damascelli. Science, Vol.: 347 Issue 6219, pgs 282-285. DOI: 10.1126/science.1256441.

Fonte1: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutividade-quer-sair-frio&id=010115150123#.VMJJ2S62pY8

Fonte2: http://phys.org/news/2015-01-physicists-instability-flavours-copper-based-superconductors.html