Esta imagem produzida pelo microscópio de varredura por varredura por imagem espectroscópica revela a localização de cada átomo na superfície, bem como todos os defeitos atômicos no campo de visão. Os pontos brancos que constituem os quadrados dispostos a 45 graus no eixo x / y são átomos de selênio (Se), enquanto os defeitos - átomos de Fe ausentes no plano de Fe, cerca de um quarto de nanômetro abaixo da superfície de Se - aparecem como perturbações em forma de borboleta produzidas pela interferência quântica de elétrons espalhados pelos defeitos. Esses padrões de interferência de espalhamento levaram à descoberta de emparelhamento de Cooper seletivo orbital em FeSe. Crédito:Brookhaven Lab / Cornell U
Uma equipe de cientistas encontrou evidências de um novo tipo de emparelhamento de elétrons que pode ampliar a busca por novos supercondutores de alta temperatura. As evidências, descrito na revista Science, fornecem a base para uma descrição unificadora de como materiais "originais" radicalmente diferentes - compostos isolantes à base de cobre e compostos à base de ferro metálico - podem desenvolver a capacidade de transportar corrente elétrica sem resistência em altas temperaturas.
De acordo com os cientistas, as características eletrônicas diferentes dos materiais, na verdade, são a chave para a semelhança.
"Os cientistas pensaram que, como o ponto de partida para a supercondutividade nessas duas classes de materiais é tão diferente, você precisa de diferentes abordagens teóricas para descrevê-los, "disse J.C. Séamus Davis, um físico do Laboratório Nacional Brookhaven e da Universidade Cornell do Departamento de Energia dos EUA (DOE), que liderou a equipe de cientistas experimentais. "Em vez de, ficamos motivados a explorar o que há de universal nesses dois sistemas. Idealmente, deve haver apenas uma explicação. "
Os cientistas geralmente entenderam que o mecanismo de supercondutividade em compostos de óxido de cobre depende da capacidade dos elétrons em átomos de cobre adjacentes de se emparelharem. Cada átomo de cobre tem um único, elétron desemparelhado em sua camada de energia mais externa, ou orbital. Enquanto os elétrons mais externos em átomos de cobre adjacentes interagem fortemente entre si, eles normalmente ficam travados no lugar, preso em um "engarrafamento de mecânica quântica" sem ter para onde ir, Davis disse. Sem elétrons se movendo, o material atua como um isolante elétrico "fortemente correlacionado".
A remoção de alguns elétrons que residem nos átomos de cobre resulta em lacunas de elétrons conhecidas como lacunas. Isso alivia o congestionamento quântico para que, quando o material é resfriado a uma certa temperatura, elétrons alinhados de forma oposta (parceiros magnéticos onde o "spin" de um elétron aponta para cima e o adjacente aponta para baixo) formam pares e então ficam livres para zipar através do material desimpedido - um supercondutor.
Átomos de ferro, que têm um núcleo com carga positiva menor que o cobre, exerçam menos atração sobre os elétrons circulantes. Então, em vez de preencher orbitais de elétrons, elétrons em vários orbitais de energia externos permanecem desemparelhados, ainda alinhados uns com os outros e eletronicamente ativos. O alinhamento de elétrons desemparelhados em orbitais múltiplos dá ao ferro simples suas fortes propriedades magnéticas e metálicas, portanto, é fácil ver por que os compostos de ferro seriam bons condutores. Mas não está muito claro como eles podem se tornar supercondutores de resistência zero em altas temperaturas sem as fortes interações que criam um estado de isolamento correlacionado nos materiais à base de cobre.
Para resolver este enigma, os físicos teóricos começaram a considerar a possibilidade de que os elétrons desemparelhados nos diferentes orbitais do ferro pudessem assumir papéis muito diferentes. Talvez elétrons desemparelhados em um orbital particular possam emparelhar com elétrons no mesmo orbital em um átomo adjacente para transportar a supercorrente, enquanto os elétrons em outros orbitais fornecem o isolamento, magnético, e propriedades metálicas.
“O desafio é encontrar uma maneira de ver que alguns dos elétrons são supercondutores e alguns são isolantes no mesmo cristal, "Davis disse.
A supercondutividade à base de ferro ocorre em materiais como o seleneto de ferro (FeSe) que contém planos de cristal compostos por uma matriz quadrada de átomos de ferro (Fe), retratado aqui. Nessas camadas de ferro, cada átomo de Fe tem duas nuvens de elétrons ativos, 'ou orbitais - dxz (vermelho) e dyz (azul) - cada um contendo um elétron. Visualizando diretamente os estados do elétron nos planos de ferro de FeSe, os pesquisadores revelaram que os elétrons nos orbitais dxz (vermelhos) não formam pares de Cooper ou contribuem para a supercondutividade, mas, em vez disso, forma um estado metálico incoerente ao longo do eixo horizontal (x). Em contraste, todos os elétrons nos orbitais dyz (azuis) formam pares de Cooper fortes com átomos vizinhos para gerar supercondutividade. A busca por outros materiais com este emparelhamento exótico 'orbital-seletivo' pode levar à descoberta de novos supercondutores. Crédito:Brookhaven Lab / Cornell U
A pesquisa publicada em Ciência fornece a primeira prova direta de que tal emparelhamento de elétrons "orbital-seletivo" ocorre.
A equipe de teoria para este projeto - Andreas Kreisel (Universidade de Leipzig), Peter Hirschfeld (Universidade da Flórida), e Brian Anderson (Universidade de Copenhagen) - definiu as assinaturas eletrônicas que deveriam ser associadas a cada orbital nos átomos de ferro. Então, experimentalistas Peter Sprau e Andrey Kostin (ambos do Brookhaven Lab e Cornell) usaram um microscópio de tunelamento de varredura no Center for Emergent Superconductivity - um DOE Energy Frontier Research Center no Brookhaven Lab - para medir a energia e o momento dos elétrons em amostras de seleneto de ferro que foram sintetizados por Anna Bohmer e Paul Canfield no Laboratório Ames do DOE. A comparação das medições com as assinaturas eletrônicas previstas permitiu aos cientistas identificar quais elétrons estavam associados a cada orbital.
Com esta informação, "Podemos medir a energia de ligação e o momento dos elétrons nos 'pares de Cooper' responsáveis pela supercondutividade e identificar quais características do momento da energia eles têm, de qual orbital eles são, "Davis disse.
"Fomos capazes de mostrar que quase todos os elétrons nos pares de Cooper no seleneto de ferro eram de um orbital de baixa energia específico (o orbital d_yz), "Davis disse. As descobertas também sugerem que o elétron no orbital mais externo do ferro em seleneto de ferro exibe propriedades virtualmente isolantes, assim como acontece com os compostos de óxido de cobre.
"Como o seleneto de ferro normalmente exibe boa condutividade metálica, como alguém poderia saber que os elétrons neste orbital estão agindo como se estivessem em isoladores correlacionados? Este estado de interação forte e virtualmente isolante estava escondido à vista de todos! ", Disse ele.
Com este estado de isolamento orbital externo, o composto de ferro tem todos os mesmos requisitos de supercondutividade que os óxidos de cobre - uma forte interação magnética (emparelhamento para cima / para baixo) dos elétrons quase localizados, e um estado metálico que permite que esses pares se movam. A grande diferença é que no seleneto de ferro, essas contribuições vêm de diferentes elétrons em três orbitais ativos separados, em vez do único elétron em um orbital ativo no cobre.
"No ferro você tem a condutividade de graça. E você tem o magnetismo de graça, mas é baseado em um elétron diferente. Ambos coexistem no mesmo átomo, "Davis disse. Então, uma vez que você tem pares Cooper, parece que não há necessidade de adicionar furos para fazer a corrente fluir.
Essa constatação pode ampliar a busca por novos supercondutores que podem operar potencialmente em condições mais quentes. Esses supercondutores de alta temperatura mais alta seriam mais práticos para o mundo real, aplicativos de economia de energia, como linhas de força ou dispositivos de armazenamento de energia.
"Em vez de procurar novos isoladores antiferromagnéticos de elétron único, como óxido de cobre, para fazer supercondutores de alta temperatura, talvez devêssemos procurar novos produtos altamente magnéticos, materiais metálicos que têm propriedades como o ferro, mas em um arranjo orbitalmente seletivo, "Davis disse." Isso abre o mundo da ciência dos materiais para muitos novos tipos de materiais que poderiam ser supercondutores de alta temperatura. "
