Quando os cientistas estudam supercondutores não convencionais – materiais complexos que conduzem eletricidade com perda zero em temperaturas relativamente altas – eles geralmente contam com modelos simplificados para entender o que está acontecendo.
Os pesquisadores sabem que esses materiais quânticos obtêm suas habilidades de elétrons que unem forças para formar uma espécie de sopa de elétrons. Mas modelar esse processo em toda a sua complexidade levaria muito mais tempo e capacidade de computação do que qualquer um pode imaginar hoje. Portanto, para compreender uma classe-chave de supercondutores não convencionais – óxidos de cobre ou cupratos – os pesquisadores criaram, para simplificar, um modelo teórico no qual o material existe em apenas uma dimensão, como uma cadeia de átomos. Eles fizeram esses cupratos unidimensionais no laboratório e descobriram que seu comportamento concordava muito bem com a teoria.
Infelizmente, essas cadeias atômicas 1D careciam de uma coisa: elas não podiam ser dopadas, um processo em que alguns átomos são substituídos por outros para alterar o número de elétrons que estão livres para se mover. O doping é um dos vários fatores que os cientistas podem ajustar para ajustar o comportamento de materiais como esses, e é uma parte crítica para levá-los à supercondução.
Agora, um estudo liderado por cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia e das universidades de Stanford e Clemson sintetizou o primeiro material cuprato 1D que pode ser dopado. Sua análise do material dopado sugere que o modelo proposto mais proeminente de como cupratos alcançam supercondutividade está faltando um ingrediente chave: uma atração inesperadamente forte entre elétrons vizinhos na estrutura atômica do material, ou rede. Essa atração, eles disseram, pode ser o resultado de interações com vibrações da rede natural.
A equipe relatou suas descobertas hoje na Science.
“A incapacidade de controlar os sistemas de cuprato unidimensional tem sido uma barreira significativa para a compreensão desses materiais por mais de duas décadas”, disse Zhi-Xun Shen, professor de Stanford e investigador do Instituto de Stanford para Materiais e Ciências da Energia (SIMES) no SLAC.
“Agora que fizemos isso”, disse ele, “nossos experimentos mostram que nosso modelo atual perde um fenômeno muito importante que está presente no material real.”
Zhuoyu Chen, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Shen que liderou a parte experimental do estudo, disse que a pesquisa foi possível por um sistema que a equipe desenvolveu para fazer cadeias 1D embutidas em um material 3D e movê-las diretamente para uma câmara no Síncrotron Stanford do SLAC Radiation Lightsource (SSRL) para análise com um poderoso feixe de raios-X.
“É uma configuração única”, disse ele, “e indispensável para obter os dados de alta qualidade de que precisávamos para ver esses efeitos muito sutis.”
De grades a correntes, em teoria
O modelo predominante usado para simular esses materiais complexos é conhecido como modelo de Hubbard. Em sua versão 2D, é baseado em uma grade plana e uniformemente espaçada dos átomos mais simples possíveis.
Mas esta grade 2D básica já é muito complicada para os computadores e algoritmos de hoje manipularem, disse Thomas Devereaux, professor do SLAC e de Stanford e investigador do SIMES que supervisionou a parte teórica deste trabalho. Não há uma maneira bem aceita de garantir que os cálculos do modelo para as propriedades físicas do material estejam corretos, então, se eles não corresponderem aos resultados experimentais, é impossível dizer se os cálculos ou o modelo teórico deram errado.
Para resolver esse problema, os cientistas aplicaram o modelo de Hubbard a cadeias 1D da rede cuprate mais simples possível – uma cadeia de átomos de cobre e oxigênio. Esta versão 1D do modelo pode calcular com precisão e capturar o comportamento coletivo dos elétrons em materiais feitos de cadeias 1D não dopadas. Mas até agora, não houve uma maneira de testar a precisão de suas previsões para as versões dopadas das correntes porque ninguém foi capaz de fazê-las em laboratório, apesar de mais de duas décadas de tentativas.
“Nossa principal conquista foi sintetizar essas cadeias dopadas”, disse Chen. “Fomos capazes de dopá-los em uma gama muito ampla e obter dados sistemáticos para determinar o que estávamos observando.”
Uma camada atômica por vez
Para fazer as cadeias 1D dopadas, Chen e seus colegas pulverizaram um filme de um material de cuprato conhecido como óxido de cobre estrôncio de bário (BSCO), com apenas algumas camadas atômicas de espessura, em uma superfície de suporte dentro de uma câmara selada na linha de luz SSRL especialmente projetada. A forma das redes no filme e na superfície se alinhavam de uma maneira que criava cadeias 1D de cobre e oxigênio embutidas no material 3D BSCO.
Eles doparam as cadeias expondo-as ao ozônio e ao calor, que adicionaram átomos de oxigênio às suas redes atômicas, disse Chen. Cada átomo de oxigênio puxou um elétron para fora da cadeia, e esses elétrons liberados se tornaram mais móveis. Quando milhões desses elétrons de fluxo livre se juntam, eles podem criar o estado coletivo que é a base da supercondutividade.
Em seguida, os pesquisadores transportaram suas cadeias para outra parte da linha de luz para análise com espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido, ou ARPES. Esta técnica ejetou elétrons das cadeias e mediu sua direção e energia, dando aos cientistas uma imagem detalhada e sensível de como os elétrons no material se comportam.
Atrações surpreendentemente fortes
A análise deles mostrou que no material 1D dopado, a atração dos elétrons por suas contrapartes em locais de rede vizinhos é 10 vezes mais forte do que o modelo de Hubbard prevê, disse Yao Wang, professor assistente da Universidade Clemson que trabalhou no lado teórico do estudo .
A equipe de pesquisa sugeriu que esse alto nível de atração do “vizinho mais próximo” pode resultar de interações com fônons – vibrações naturais que sacodem a estrutura atômica. Os fônons são conhecidos por desempenhar um papel na supercondutividade convencional, e há indicações de que eles também podem estar envolvidos de uma maneira diferente na supercondutividade não convencional que ocorre em temperaturas muito mais quentes em materiais como os cupratos, embora isso não tenha sido definitivamente provado.
Os cientistas disseram que é provável que essa forte atração do vizinho mais próximo entre os elétrons exista em todos os cupratos e poderia ajudar na compreensão da supercondutividade nas versões 2D do modelo de Hubbard e seus parentes, dando aos cientistas uma imagem mais completa desses materiais intrigantes.
Publicado em 10/09/2021 09h57
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