A supercondutividade de alta temperatura oferece um transporte perfeito de eletricidade, mas isso ao preço de um frio extremo e um mecanismo sempre esquivo. Se entendido, os cientistas podem empurrar a supercondutividade para temperaturas mais quentes e melhorar radicalmente as redes de energia, eletrônicos de consumo, e muito mais, mas o quebra-cabeça persiste há mais de 30 anos.

Agora, os cientistas abriram novos caminhos ao se aproximarem de um ângulo contra-intuitivo:sondando os chamados "metais ruins", que conduzem mal a eletricidade. Os pesquisadores descobriram que "faixas" de carga eletrônica, que pode desempenhar um papel fundamental na supercondutividade, persistem em temperaturas surpreendentemente altas, condutividade de forma, e têm propriedades dependentes da direção.

Os resultados, que examinou o sistema modelo de materiais de óxido de níquel desenvolvidos sob medida, foram publicados online em 28 de abril no jornal Cartas de revisão física .

"Este é um passo no caminho para resolver o mecanismo de supercondutividade de alta temperatura e o papel complexo das faixas de carga, "disse Ruidan Zhong, autor principal do estudo e aluno de doutorado na Stony Brook University. "Capturamos instantâneos de listras dinâmicas flutuando em uma fase líquida, onde eles têm liberdade para se alinhar e permitir o fluxo de eletricidade de forma intermitente. "

A colaboração usou a Spallation Neutron Source do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA (DOE) para medir as listras.

"Há duas décadas estudamos o pedido de distribuição, e os instrumentos Oak Ridge são perfeitos para explorar novos territórios, "disse o co-autor John Tranquada, um físico do Laboratório Nacional Brookhaven do DOE. "O sinal que procurávamos era muito fraco, e foi enterrado em uma selva de sinais muito mais fortes - mas nós o encontramos. "

Bombardeando um pouco de alquimia

Por décadas, os cientistas foram capazes de pegar certos isolantes de óxido de cobre (cuprato) - o que significa que eles não conduzem eletricidade - e substituir átomos para ajustar o conteúdo de elétrons e então induzir supercondutividade em temperaturas frias. Embora as listras provavelmente desempenhem um papel essencial, sua presença e comportamento em diferentes temperaturas são particularmente difíceis de rastrear.

"Em supercondutores de cuprato, aprendemos como detectar listras de carga quando elas estão fixadas na rede atômica, mas uma vez que eles começam a se mover, nós os perdemos de vista, "Tranquada disse." Então, em vez de um composto supercondutor de lantânio, estrôncio, cobre, e oxigênio, fizemos um pouco de alquimia para substituir o cobre por níquel. "

Em um processo elegante liderado pela coautora do estudo e cientista de Brookhaven Genda Gu, os cristais de óxido de níquel - ou níquel - cresceram a partir de uma fase líquida sem o uso de qualquer recipiente. Como eles ofereciam uma estrutura semelhante aos cupratos, mas com uma ordenação de faixa mais forte, as faixas de carga evasivas seriam mais fáceis de detectar, presumindo que a ferramenta certa possa ser encontrada para examinar o interior.

A equipe recorreu ao Espectrômetro Híbrido de tempo de voo (HYSPEC) na Fonte de Nêutrons de Espalação do Oak Ridge Lab, um DOE Office of Science User Facility. O instrumento - produto de uma proposta desenvolvida inicialmente em Brookhaven - bombardeou a amostra de níquelato com um feixe de nêutrons que se espalhou pela estrutura atômica. Ao medir o tempo que leva para os nêutrons espalhados chegarem aos detectores, os cientistas deduziram a energia perdida ou ganha - isso, por sua vez, revelou a presença ou ausência das listras.

Cardumes de peixes eletrônicos

Os resultados de espalhamento de nêutrons, que requerem processamento intensivo do computador, forneceram evidências de uma chamada fase nemática no níquelato.

"As fases nemáticas eletrônicas são impulsionadas por correlações de elétrons que quebram a simetria rotacional da estrutura cristalina do material, "Zhong disse." No níquel, estes como ondas, listras correlacionadas se movem através do material e afetam diretamente a condutividade. "

Como Tranquada explicou, isso pode ser visualizado como escolas de longa, peixes esguios nadando em alguma estrutura submersa.

"Eles se movem juntos, altamente coordenado, e pacotes evasivos, "Tranquada disse." Nadar com esses peixes em uma direção paralela pode ser bem tranquilo, mas nadar contra esse grupo coordenado em uma direção perpendicular é um desafio. É um pouco como a forma como a corrente viaja através do nosso níquelato e interage com as ondas de carga. "

A maneira precisa como essas listras de carga persistentes e curiosas influenciam a condutividade nos níquelatos - e mais importante nos cupratos supercondutores análogos - permanece obscura.

"Esperamos que este trabalho ofereça novas oportunidades de teoria e experimento para explorar a supercondutividade de alta temperatura, "Disse Zhong." À medida que continuamos mapeando esses materiais, o mecanismo acabará ficando sem lugares para se esconder. "