Os elétrons se acham repulsivos. Nada pessoal – é só que suas cargas negativas se repelem. Então, fazê-los emparelhar e viajar juntos, como fazem em materiais supercondutores, requer um pequeno empurrão.
Nos supercondutores da velha escola, que foram descobertos em 1911 e conduzem corrente elétrica sem resistência, mas apenas em temperaturas extremamente frias, o empurrão vem de vibrações na rede atômica do material.
Mas em supercondutores mais novos e “não convencionais” – que são especialmente empolgantes por causa de seu potencial de operar perto da temperatura ambiente para coisas como transmissão de energia com perda zero – ninguém sabe ao certo qual é o empurrão, embora os pesquisadores pensem que pode envolver listras de carga elétrica, ondas de spins de elétrons em flip-flopping que criam excitações magnéticas, ou alguma combinação de coisas.
Na esperança de aprender mais olhando para o problema de um ângulo ligeiramente diferente, pesquisadores da Universidade de Stanford e do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia sintetizaram outra família de supercondutores não convencionais – os óxidos de níquel, ou niquelados. Desde então, eles passaram três anos investigando as propriedades dos niquelados e comparando-os com um dos mais famosos supercondutores não convencionais, os óxidos de cobre ou cupratos.
E em um artigo publicado na Nature Physics hoje, a equipe relatou uma diferença significativa: ao contrário dos cupratos, os campos magnéticos nos niquelados estão sempre ligados.
Magnetismo: amigo ou inimigo?
Os niquelados, disseram os cientistas, são intrinsecamente magnéticos, como se cada átomo de níquel estivesse segurando um pequeno ímã. Isso é verdade se o niquelado está em seu estado não supercondutor, ou normal, ou em um estado supercondutor onde os elétrons se emparelharam e formaram uma espécie de sopa quântica que pode hospedar fases entrelaçadas de matéria quântica. Cupratos, por outro lado, não são magnéticos em seu estado supercondutor.
“Este estudo analisou as propriedades fundamentais dos niquelados em comparação com os cupratos, e o que isso pode nos dizer sobre supercondutores não convencionais em geral”, disse Jennifer Fowlie, pesquisadora de pós-doutorado no Instituto Stanford de Ciências de Materiais e Energia (SIMES) do SLAC, que liderou o estudo. experimentos.
Alguns pesquisadores pensam que o magnetismo e a supercondutividade competem entre si nesse tipo de sistema, disse ela; outros pensam que você não pode ter supercondutividade a menos que o magnetismo esteja por perto.
“Embora nossos resultados não resolvam essa questão, eles destacam onde mais trabalho provavelmente deve ser feito”, disse Fowlie. “E eles marcam a primeira vez que o magnetismo foi examinado tanto no estado supercondutor quanto no estado normal dos niquelados.”
Harold Hwang, professor do SLAC e Stanford e diretor do SIMES, disse: “Esta é outra peça importante do quebra-cabeça que a comunidade de pesquisa está montando enquanto trabalhamos para enquadrar as propriedades e fenômenos no coração desses materiais emocionantes”.
Entre no muão
Poucas coisas são fáceis neste campo de pesquisa, e estudar os niquelados tem sido mais difícil do que a maioria.
Enquanto os teóricos previram há mais de 20 anos que sua semelhança química com os cupratos tornava provável que eles pudessem hospedar supercondutividade, os niquelados são tão difíceis de fazer que levou anos de tentativas antes que a equipe do SLAC e Stanford conseguisse.
Mesmo assim, eles só podiam fazer filmes finos do material – não os pedaços mais grossos necessários para explorar suas propriedades com técnicas comuns. Vários grupos de pesquisa em todo o mundo estão trabalhando em maneiras mais fáceis de sintetizar niquelados de qualquer forma, disse Hwang.
Assim, a equipe de pesquisa se voltou para um método mais exótico, chamado rotação/relaxamento do spin do múon de baixa energia, que pode medir as propriedades magnéticas de filmes finos e está disponível apenas no Instituto Paul Scherrer (PSI) na Suíça.
Os múons são partículas carregadas fundamentais que são semelhantes aos elétrons, mas 207 vezes mais massivas. Eles permanecem por apenas 2,2 milionésimos de segundo antes de decair. Múons carregados positivamente, que são frequentemente preferidos para experimentos como esses, decaem em um pósitron, um neutrino e um antineutrino. Como seus primos de elétrons, eles giram como piões e mudam a direção de seu giro em resposta a campos magnéticos. Mas eles podem “sentir” esses campos apenas em seus arredores imediatos – até cerca de um nanômetro, ou um bilionésimo de metro, de distância.
No PSI, os cientistas usam um feixe de múons para incorporar as pequenas partículas no material que desejam estudar. Quando os múons decaem, os pósitrons que eles produzem voam na direção em que o múon está girando. Ao rastrear os pósitrons de volta às suas origens, os pesquisadores podem ver para que lado os múons estavam apontando quando desapareceram e, assim, determinar as propriedades magnéticas gerais do material.
Encontrando uma solução alternativa
A equipe do SLAC se inscreveu para fazer experimentos com o sistema PSI em 2020, mas a pandemia tornou impossível viajar para dentro ou para fora da Suíça. Felizmente, Fowlie era pós-doutorando na Universidade de Genebra na época e já planejava vir para o SLAC para trabalhar no grupo de Hwang. Então ela começou a primeira rodada de experimentos na Suíça com uma equipe liderada por Andreas Suter, cientista sênior da PSI e especialista em extrair informações sobre supercondutividade e magnetismo de dados de decaimento de múons.
Depois de chegar ao SLAC em maio de 2021, Fowlie imediatamente começou a fazer vários tipos de compostos de niquelado que a equipe queria testar em sua segunda rodada de experimentos. Quando as restrições de viagem terminaram, a equipe finalmente conseguiu voltar à Suíça para concluir o estudo.
A configuração experimental exclusiva do PSI permite que os cientistas incorporem múons em profundidades precisas nos materiais niquelados. A partir disso, eles foram capazes de determinar o que estava acontecendo em cada camada superfina de vários compostos de níquel com composições químicas ligeiramente diferentes. Eles descobriram que apenas as camadas que continham átomos de níquel eram magnéticas.
O interesse nos niquelados é muito alto em todo o mundo, disse Hwang. Meia dúzia de grupos de pesquisa publicaram suas próprias maneiras de sintetizar niquelados e estão trabalhando para melhorar a qualidade das amostras que estudam, e um grande número de teóricos está tentando encontrar insights para orientar a pesquisa em direções produtivas.
“Estamos tentando fazer o que podemos com os recursos que temos como comunidade de pesquisa”, disse ele, “mas ainda há muito mais que podemos aprender e fazer”.
Publicado em 05/08/2022 12h22
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