Cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford fizeram as primeiras medições diretas, e de longe os mais precisos, de como os elétrons se movem em sincronia com as vibrações atômicas ondulando através de um material exótico, como se estivessem dançando no mesmo ritmo.

As vibrações são chamadas de fônons, e o acoplamento elétron-fônon que os pesquisadores mediram foi 10 vezes mais forte do que a teoria havia previsto - tornando-o forte o suficiente para desempenhar um papel na supercondutividade não convencional, que permite que os materiais conduzam eletricidade sem perdas em temperaturas inesperadamente altas.

O que mais, a abordagem que desenvolveram dá aos cientistas uma maneira completamente nova e direta de estudar uma ampla gama de materiais "emergentes" cujas propriedades surpreendentes emergem do comportamento coletivo de partículas fundamentais, como elétrons. A nova abordagem investiga esses materiais apenas por meio de experimentos, ao invés de confiar em suposições baseadas na teoria.

Os experimentos foram realizados com Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC com laser de elétrons livres de raios-X e com uma técnica chamada espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) no campus de Stanford. Os pesquisadores descreveram o estudo hoje na Science.

Uma abordagem 'inovadora'

“Acredito que esse resultado terá vários impactos, "disse Giulia Galli, um professor do Instituto de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e cientista sênior do Laboratório Nacional de Argonne do DOE que não esteve envolvido no estudo.

"Claro que aplicaram o método a um material muito importante, um que todos estão tentando descobrir e entender, e isso é ótimo, "disse ela." Mas o fato de eles mostrarem que são capazes de medir a interação elétron-fônon, que é tão importante em tantos materiais e processos físicos - isso, Eu acredito, é um avanço que abrirá o caminho para muitos outros experimentos em muitos outros materiais. "

A capacidade de fazer essa medição, ela adicionou, permitirá aos cientistas validar teorias e cálculos que descrevem e predizem a física desses materiais de uma forma que nunca foram capazes de fazer antes.

"Essas medições de precisão nos darão insights profundos sobre como esses materiais se comportam, "disse Zhi-Xun Shen, um professor do SLAC e Stanford e investigador do Instituto de Stanford para Materiais e Ciências da Energia (SIMES) que liderou o estudo.

'Filmes' extraordinariamente precisos

A equipe usou o LCLS do SLAC para medir as vibrações atômicas e o ARPES para medir a energia e o momento dos elétrons em um material chamado seleneto de ferro. A combinação das duas técnicas permitiu-lhes observar o acoplamento elétron-fônon com precisão extraordinária, em uma escala de tempo de femtossegundos - milionésimos de bilionésimo de segundo - e cerca de um bilionésimo da largura de um cabelo humano.

"Conseguimos fazer um 'filme, 'usando o equivalente a duas câmeras para registrar as vibrações atômicas e os movimentos dos elétrons, e mostram que eles se mexem ao mesmo tempo, como duas ondas estacionárias sobrepostas uma à outra, "disse o co-autor Shuolong Yang, um pesquisador de pós-doutorado na Cornell University.

"Não é um filme no sentido comum das imagens que você pode assistir em uma tela, ", disse ele." Mas ele captura os movimentos do fônon e do elétron em quadros disparados 100 trilhões de vezes por segundo, e podemos amarrar cerca de 100 deles juntos, como os quadros de um filme, para obter uma imagem completa de como eles estão vinculados. "

O seleneto de ferro que estudaram é um material curioso. É conhecido por conduzir eletricidade sem perdas, mas apenas em temperaturas extremamente frias, e de uma forma que não poderia ser inteiramente explicada por teorias estabelecidas; é por isso que é chamado de supercondutor não convencional.

Perseguindo uma pista intrigante

Mas, cinco anos atrás, um grupo de pesquisa na China relatou uma observação intrigante:quando uma camada atomicamente fina de seleneto de ferro é colocada em cima de outro material chamado STO - cujo nome deriva de seus ingredientes primários estrôncio, titânio e oxigênio - sua temperatura supercondutora máxima salta de 8 graus para 60 graus acima do zero absoluto, ou menos 213 graus Celsius. Embora ainda esteja muito frio, é uma temperatura muito mais alta do que os cientistas esperavam, e está dentro da faixa de operação dos chamados "supercondutores de alta temperatura, "cuja descoberta em 1986 desencadeou um frenesi de pesquisas por causa do impacto revolucionário que esses transmissores elétricos perfeitamente eficientes poderiam ter na sociedade.

Seguindo esta pista, O grupo de Shen examinou a mesma combinação de materiais com o ARPES. Em um artigo de 2014 na Nature, eles concluíram que as vibrações atômicas no STO viajam até o seleneto de ferro e fornecem aos elétrons a energia adicional de que precisam para emparelhar e transportar eletricidade com perda zero em temperaturas mais altas do que fariam por conta própria.

Isso sugeriu que os cientistas podem ser capazes de atingir temperaturas supercondutoras máximas ainda mais altas, alterando uma série de variáveis, como a natureza do substrato sob um filme supercondutor, Tudo ao mesmo tempo.

Mas poderia este acoplamento de vibrações atômicas e comportamento colaborativo de elétrons também ocorrer no seleneto de ferro sozinho, sem um impulso de um substrato? Isso é o que o presente estudo teve como objetivo descobrir.

Como tocar um sino com um martelo

A equipe de Shen fez um grosso, filme de seleneto de ferro atomicamente uniforme e atingiu-o com luz laser infravermelha para excitar suas vibrações atômicas de 5 trilhões de vezes por segundo - como bater suavemente em um sino com um pequeno martelo, O cientista da equipe do SLAC e co-autor Patrick Kirchmann disse. Isso fez com que as vibrações oscilassem em sincronia umas com as outras ao longo do filme, para que pudessem ser observados mais facilmente.

A equipe então mediu as vibrações atômicas do material e o comportamento do elétron em dois experimentos separados. Yang, que era estudante de graduação em Stanford na época, liderou a medição ARPES. Simon Gerber, um pesquisador de pós-doutorado no grupo de Shen, liderou as medições LCLS no SLAC; desde então, ele ingressou no SwissFEL no Instituto Paul Scherrer, na Suíça, como cientista da equipe.

O novo estudo não prova que o acoplamento de vibrações atômicas e eletrônicas foi responsável por aumentar a temperatura supercondutora do seleneto de ferro nos estudos anteriores, Kirchmann disse. Mas a combinação de laser de raios-X e observações ARPES deve fornecer novos e mais sofisticados insights sobre a física dos sistemas materiais, onde vários fatores estão em jogo ao mesmo tempo, e esperançosamente mover o campo adiante mais rápido.