Os resultados encerram 15 anos de trabalho de detetive com o objetivo de entender como esses materiais transitam para um estado supercondutor, onde podem conduzir eletricidade sem perda.
Os pesquisadores ficaram em êxtase 35 anos atrás quando uma nova e excitante nova classe de materiais supercondutores foi encontrada.
Esses óxidos de cobre ou cupratos, como outros supercondutores, conduziam eletricidade sem resistência ou perda quando resfriados abaixo de um grau específico – mas em temperaturas substancialmente maiores do que os cientistas esperavam. Isso aumentou a possibilidade de trabalhar em temperaturas próximas à temperatura ambiente para linhas de energia perfeitamente eficientes e outros usos.
A pesquisa rapidamente confirmou que eles demonstraram duas características clássicas adicionais da transição para um estado supercondutor. O material expeliu campos magnéticos à medida que a supercondutividade ocorreu, permitindo que um ímã colocado em um pedaço do material pairasse acima da superfície. E durante a transição, sua capacidade de calor – a quantidade de calor necessária para aumentar sua temperatura em uma certa quantidade – apresentou uma anormalidade notável.
Mas, apesar de décadas de esforço com uma variedade de ferramentas experimentais, a quarta assinatura, que pode ser vista apenas em escala microscópica, permaneceu elusiva: a maneira como os elétrons se emparelham e se condensam em uma espécie de sopa de elétrons à medida que o material passa de seu estado normal para um estado supercondutor.
Agora, uma equipe de pesquisa do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford finalmente revelou essa quarta assinatura com medições precisas e de alta resolução feitas com espectroscopia de fotoemissão de resolução angular, ou ARPES, que usa luz para ejetar elétrons do material. Medir a energia e o momento desses elétrons ejetados revela como os elétrons dentro do material se comportam.
Em um artigo publicado recentemente na Nature, a equipe confirmou que o material cuprato estudado, conhecido como Bi2212, fez a transição para um estado supercondutor em duas etapas distintas e em temperaturas muito diferentes.
“Agora sabemos o que acontece na transição supercondutora em detalhes muito finos, e podemos pensar em como fazer isso acontecer em temperaturas mais altas”, disse Sudi Chen, que liderou o estudo enquanto estudante de doutorado em Stanford. “Essa é uma direção muito prática.”
O professor de Stanford, Zhi-Xun Shen, pesquisador do Instituto Stanford de Ciências de Materiais e Energia (SIMES) no SLAC que supervisionou a pesquisa, disse: “Este é o clímax de 15 anos de trabalho de detetive científico na tentativa de entender a estrutura eletrônica de esses materiais e fornece o elo perdido para uma imagem holística da supercondutividade não convencional. Sabíamos que esses materiais deveriam produzir assinaturas espectroscópicas distintas à medida que os elétrons emparelhados se aglutinam em um condensado quântico; o incrível é que demorou tanto para encontrá-lo.”
Transições não convencionais
Nos supercondutores convencionais, descobertos em 1911, os elétrons superam sua repulsão mútua e formam o que é conhecido como pares de Cooper, que imediatamente se condensam em uma espécie de sopa de elétrons que permite que a corrente elétrica viaje sem impedimentos.
Mas nos cupratos não convencionais, os cientistas especularam que os elétrons se emparelham a uma temperatura, mas não condensam até serem resfriados a uma temperatura significativamente mais baixa; somente nesse ponto o material se torna supercondutor.
Embora os detalhes dessa transição tenham sido explorados com outros métodos, até agora não havia sido confirmado com sondas microscópicas como a espectroscopia de fotoemissão que estuda como a matéria absorve luz e emite elétrons. É uma importante medida independente de como os elétrons no material se comportam.
Shen começou sua carreira científica em Stanford assim que a descoberta dos novos supercondutores de cuprato estava vindo à tona, e ele dedicou mais de três décadas para desvendar seus segredos e melhorar a espectroscopia de fotoemissão como uma ferramenta para fazer isso.
Para este estudo, amostras de cuprato feitas por colaboradores no Japão foram examinadas em duas configurações ARPES – uma no laboratório de Shen em Stanford, equipada com um laser ultravioleta, e outra no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC com a ajuda de cientistas da equipe do SLAC e colaboradores de longa data Makoto Hashimoto e Donghui Lu.
Descascando uma cebola física
“Melhorias recentes no desempenho geral desses instrumentos foram um fator importante na obtenção desses resultados de alta qualidade”, disse Hashimoto. “Eles nos permitiram medir a energia dos elétrons ejetados com mais precisão, estabilidade e consistência.”
Lu acrescentou: “É muito desafiador obter uma compreensão completa da física da supercondutividade de alta temperatura. Os experimentalistas usam ferramentas diferentes para investigar diferentes aspectos desse problema difícil, e isso fornece insights mais profundos.”
Shen disse que o estudo de longo prazo desses materiais não convencionais tem sido como descascar camadas de uma cebola para revelar a física surpreendente e interessante. Agora, ele disse, confirmando que a transição para a supercondutividade ocorre em duas etapas separadas “nos dá dois botões que podemos ajustar para fazer com que os materiais supercondutores em temperaturas mais altas”.
Sudi Chen é agora pós-doutorando na Universidade da Califórnia, Berkeley. Pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada do Japão, do Instituto Lorentz de Física Teórica da Universidade de Leiden, na Holanda, e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE também contribuíram para este trabalho, que foi financiado pelo DOE Office of Science. O SSLL é uma instalação de usuário do DOE Office of Science.
Publicado em 07/05/2022 20h23
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