Uma equipe internacional liderada por cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford detectou novos recursos no comportamento eletrônico de um material de óxido de cobre que pode ajudar a explicar por que ele se torna um condutor elétrico perfeito - um supercondutor - em temperaturas relativamente altas .

Usando um instrumento de raios-X de resolução ultra-alta na França, os pesquisadores pela primeira vez viram comportamentos dinâmicos na onda de densidade de carga (CDW) do material - um padrão de elétrons que se assemelha a uma onda estacionária - que dá suporte à ideia de que essas ondas podem desempenhar um papel na supercondutividade de alta temperatura.

Os dados obtidos em temperaturas baixas (20 kelvins) e altas (240 kelvins) mostraram que, conforme a temperatura aumentou, o CDW ficou mais alinhado com a estrutura atômica do material. Notavelmente, na temperatura mais baixa, o CDW também induziu um aumento incomum na intensidade das vibrações da rede atômica do óxido, indicando que os comportamentos dinâmicos do CDW podem se propagar através da rede.

"Pesquisas anteriores mostraram que, quando o CDW é estático, compete com e diminui a supercondutividade, "disse o co-autor Wei-Sheng Lee, um cientista da equipe SLAC e investigador do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia (SIMES), que levou o estudo publicado em 12 de junho em Física da Natureza . "Se, por outro lado, o CDW não é estático, mas flutuante, a teoria nos diz que eles podem realmente ajudar a formar a supercondutividade. "

Uma busca de uma explicação ao longo de décadas

O novo resultado é o mais recente em uma pesquisa de décadas por pesquisadores de todo o mundo para os fatores que permitem que certos materiais se tornem supercondutores em temperaturas relativamente altas.

Desde a década de 1950, os cientistas sabem como certos metais e ligas simples se tornam supercondutores quando resfriados a alguns graus do zero absoluto:seus elétrons se emparelham e passam por ondas de vibrações atômicas que agem como uma cola virtual para manter os pares juntos. Acima de uma certa temperatura, Contudo, a cola falha à medida que as vibrações térmicas aumentam, os pares de elétrons se dividem e a supercondutividade desaparece.

Em 1986, Descobriu-se que materiais complexos de óxido de cobre se tornam supercondutores em temperaturas muito mais altas - embora ainda bastante frias. Esta descoberta foi tão inesperada que causou sensação científica mundial. Ao compreender e otimizar como esses materiais funcionam, os pesquisadores esperam desenvolver supercondutores que funcionem em temperatura ambiente e acima.

Inicialmente, a cola mais provável segurando pares de elétrons supercondutores juntos em temperaturas mais altas parecia ser uma forte excitação magnética criada por interações entre spins de elétrons. Mas em 2014, uma simulação teórica e experimentos conduzidos por pesquisadores do SIMES concluíram que essas interações magnéticas de alta energia não são o único fator na supercondutividade de alta temperatura do óxido de cobre. Um CDW inesperado também parecia ser importante.

Os últimos resultados continuam a colaboração SIMES entre experimento e teoria. Com base em teorias anteriores de como as interações de elétrons com vibrações de rede podem ser sondadas com espalhamento de raios-X inelástico ressonante, ou RIXS, a assinatura da dinâmica do CDW foi finalmente identificada, fornecendo suporte adicional para o papel do CDW na determinação da estrutura eletrônica em óxidos de cobre supercondutores.

A nova ferramenta essencial:RIXS

Os novos resultados são possibilitados pelo desenvolvimento de instrumentos mais capazes que empregam RIXS. Agora disponível em resolução ultra-alta na European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) na França, onde a equipe realizou este experimento, RIXS também será um recurso importante do Linac Coherent Light Source atualizado da SLAC, laser de elétrons livres de raios-X, LCLS-II. A combinação de resolução de energia ultra-alta e uma alta taxa de repetição de pulso no LCLS-II permitirá aos pesquisadores ver flutuações de CDW mais detalhadas e realizar experimentos que visam revelar detalhes adicionais de seu comportamento e ligações com a supercondutividade de alta temperatura. Mais importante, os pesquisadores do LCLS-II serão capazes de usar interações ultrarrápidas de luz-matéria para controlar as flutuações de CDW e, em seguida, tirar instantâneos em escala de tempo de femtossegundos delas.

O RIXS envolve iluminar uma amostra com raios X que têm energia suficiente para excitar alguns elétrons nas profundezas dos átomos alvo para saltar para uma órbita mais alta específica. Quando os elétrons relaxam de volta às suas posições anteriores, uma pequena fração deles emite raios-X que carregam informações valiosas em escala atômica sobre a configuração eletrônica e magnética do material, considerada importante na supercondutividade de alta temperatura.

"A data, nenhuma outra técnica viu evidências de propagação da dinâmica do CDW, "Lee disse.

O RIXS foi demonstrado pela primeira vez em meados da década de 1970, mas não conseguiu obter informações úteis para resolver os principais problemas até 2007, quando Giacomo Ghiringhelli, Lucio Braicovich da Politécnica de Milão na Itália e colegas da Swiss Light Source fizeram uma mudança fundamental que melhorou sua resolução de energia a um nível em que detalhes significativos se tornaram visíveis - tecnicamente falando a cerca de 120 mili-eletronvolts (meV) no comprimento de onda de raio-X relevante, que é chamada de borda L de cobre. O novo instrumento RIXS no ESRF é três vezes melhor, atingindo rotineiramente uma resolução de energia de até 40 meV. Desde 2014, o grupo Milan tem colaborado com cientistas do SLAC e de Stanford em suas pesquisas RIXS.

"O novo RIXS de resolução ultra-alta faz uma grande diferença, "Disse Lee." Pode nos mostrar detalhes antes invisíveis.