Físicos do Centro de Materiais Quânticos da Rice University (RCQM) criaram um novo material à base de ferro que oferece pistas sobre as origens microscópicas da supercondutividade de alta temperatura.

O material, uma formulação de ferro, sódio, cobre e arsênico criados pelo estudante de graduação de Rice Yu Song no laboratório do físico Pengcheng Dai, é descrito esta semana no jornal Nature Communications .

Dai disse que a receita de Song - que envolve misturar ingredientes em uma atmosfera de argônio puro, selá-los em latas de nióbio e assá-los a cerca de 1, 000 graus Celsius - produz uma liga em camadas na qual o ferro e o cobre se separam em faixas alternadas. Este striping é crítico para a utilidade do material em explicar as origens da supercondutividade de alta temperatura, disse o Diretor do RCQM Qimiao Si.

"Ao formar este padrão regular, Yu Song removeu fisicamente a desordem do sistema, e isso é extremamente importante para ser capaz de dizer algo significativo sobre o que está acontecendo eletronicamente, "disse Si, um físico teórico que trabalhou para explicar as origens da supercondutividade de alta temperatura e fenômenos semelhantes por quase duas décadas.

A supercondutividade de alta temperatura foi descoberta em 1986. Ela ocorre quando os elétrons se emparelham e fluem livremente em ligas em camadas, como a nova criação de Song. Dezenas de ligas supercondutoras de alta temperatura foram criadas. A maioria são cristais complexos que contêm um metal de transição - normalmente ferro ou cobre - e outros elementos. Supercondutores de alta temperatura são normalmente péssimos condutores em temperatura ambiente e só se tornam supercondutores quando são resfriados a uma temperatura crítica.

"O problema central da supercondutividade de alta temperatura é entender a relação precisa entre esses dois estados fundamentais da matéria e a transição de fase entre eles, "disse Dai, professor de física e astronomia na Rice. "A mudança macroscópica é evidente, mas as origens microscópicas do comportamento estão abertas à interpretação, principalmente porque existem muitas variáveis ​​em jogo, e a relação entre eles é sinérgica e não linear. "

Dai disse que duas escolas de pensamento "se desenvolveram desde o início deste campo. Uma era o acampamento itinerante, que argumenta que ambos os estados surgem, em última análise, de elétrons itinerantes. Afinal, esses materiais são metais, mesmo que sejam metais pobres. "

O outro acampamento é o acampamento localizado, que argumenta que a física fundamentalmente nova surge - devido às interações elétron-elétron - no ponto crítico em que os materiais fazem a transição de uma fase para a outra.

Dai disse que as medições no novo material de Song apóiam a teoria localizada. Em particular, o novo material é o primeiro membro de uma classe de supercondutores à base de ferro chamados pnictides (pronuncia-se NIK-tides) que podem ser sintonizados entre duas fases concorrentes:a fase supercondutora na qual os elétrons fluem sem resistência, e uma fase "isolante de Mott" na qual os elétrons ficam presos no lugar e não fluem de forma alguma.

"A descoberta que Yu Song fez é que este material é mais correlacionado, que é evidente por causa da fase de isolamento de Mott, "Dai disse." Esta é a primeira vez que alguém relatou um supercondutor à base de ferro que pode ser continuamente sintonizado da fase supercondutora para a fase isolante de Mott. "

Amostras foram feitas e alguns testes foram realizados no RCQM. Testes adicionais foram realizados no Canadian Neutron Beam Centre da Chalk River Laboratories em Ontário, o Centro de Pesquisa de Nêutrons do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Maryland, Laboratório Nacional de Brookhaven em Nova York, Reator de isótopos de alto fluxo do Oak Ridge National Laboratory no Tennessee e linha de luz de Espectroscopias Ressonantes Avançadas do Instituto Paul Scherrer na Suíça.

"No papel, mostramos que se a interação fosse fraca, então, mesmo a substituição de 50 por cento do ferro por cobre ainda não seria suficiente para produzir o estado de isolamento, - disse Si. - O fato de nossos experimentalistas terem conseguido transformar o sistema em um isolante de Mott fornece evidências diretas de fortes interações elétron-elétron em pnictídeos de ferro. Esse é um passo importante porque sugere que a supercondutividade deve estar ligada a essas fortes correlações de elétrons. "