O desempenho perfeito dos supercondutores pode revolucionar tudo, desde infraestrutura de energia em escala de rede até produtos eletrônicos de consumo, se eles pudessem ser coagidos a operar acima de temperaturas frias. Mesmo os chamados supercondutores de alta temperatura (HTS) devem ser resfriados a centenas de graus Fahrenheit abaixo de zero.

Agora, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven e da Universidade de Yale do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram novos, comportamento surpreendente de elétrons em um material HTS. Os resultados, publicado em 27 de julho na revista Natureza , descrevem o fluxo de quebra de simetria de elétrons através de supercondutores de óxido de cobre (cuprato). O comportamento pode estar ligado ao mecanismo sempre evasivo por trás do HTS.

"Nossa descoberta desafia uma pedra angular da física da matéria condensada, "disse o autor principal e físico do Brookhaven Lab Jie Wu." Esses elétrons parecem 'escolher' espontaneamente seus próprios caminhos através do material - um fenômeno em oposição direta às expectativas. "

Elétrons off-road

Em metais simples, os elétrons se movem uniformemente e sem preferência direcional - pense em um líquido se espalhando em uma superfície. Os materiais HTS neste estudo são dispostos em camadas com simetria rotacional quádrupla da estrutura cristalina. Espera-se que a corrente elétrica flua uniformemente em paralelo a essas camadas - mas não foi isso que o grupo de Brookhaven observou.

"Eu sou do meio-oeste, onde milhas de terras agrícolas separam as cidades, "disse o físico e co-autor do estudo de Brookhaven, Anthony Bollinger." As estradas rurais entre as cidades são amplamente traçadas como uma grade que vai de norte a sul e de leste a oeste. Você espera que os carros sigam a grade, que é feito sob medida para eles. Essa quebra de simetria é como se todos decidissem deixar as estradas pavimentadas e atravessar os campos dos fazendeiros. "

Em outra reviravolta, a voltagem de quebra de simetria persistiu até a temperatura ambiente e em toda a gama de composições químicas que os cientistas examinaram.

"Os elétrons de alguma forma coordenam seu movimento através do material, mesmo depois que a supercondutividade falha, "disse Wu.

Fortes interações elétron-elétron podem ajudar a explicar a direção preferencial do fluxo de corrente. Por sua vez, essas peculiaridades eletrônicas intrínsecas podem compartilhar uma relação com o fenômeno HTS e oferecer uma dica para decodificar seu mecanismo desconhecido.

Buscando a perfeição atômica

Ao contrário da supercondutividade clássica bem conhecida, O HTS confunde os cientistas há mais de três décadas. Agora, técnicas avançadas estão oferecendo percepções sem precedentes.

"A parte mais difícil de todo o trabalho - e o que nos ajuda a nos diferenciar - foi a síntese meticulosa do material, "disse o co-autor do estudo, Xi He.

Este trabalho foi parte de um projeto maior que durou 12 anos e abrangeu a síntese e o estudo de mais de 2, 000 filmes de supercondutores de óxido de lantânio-estrôncio-cobre.

"Esta escala de pesquisa é adequada para um ambiente de laboratório nacional, "disse Ivan Bozovic, que lidera o grupo Brookhaven por trás do esforço.

Eles usam uma técnica chamada epitaxia de feixe molecular (MBE) para montar óxidos complexos, uma camada atômica de cada vez. Para garantir a perfeição estrutural, os cientistas caracterizam os materiais em tempo real com difração de elétrons, onde um feixe de elétrons atinge a amostra e detectores sensíveis medem precisamente como ele se espalha.

"O próprio material é a nossa base, e deve ser o mais perfeito possível para garantir que as propriedades observadas são intrínsecas, "Bozovic disse." Além disso, em virtude de nossa síntese 'digital', nós projetamos os filmes no nível da camada atômica, e otimizá-los para diferentes estudos. "

Nadando contra a corrente

O primeiro grande resultado deste estudo abrangente pelo grupo MBE em Brookhaven foi publicado em Natureza ano passado. Ele demonstrou que o estado supercondutor em materiais de óxido de cobre é bastante incomum, desafiando o entendimento padrão.

Essa descoberta sugeriu que o chamado estado metálico "normal", que se forma acima do limite crítico de temperatura em que a supercondutividade quebra, também pode ser extraordinário. Olhando com cuidado, os cientistas observaram que, à medida que a corrente externa fluía pelas amostras, uma tensão espontânea surgiu inesperadamente perpendicular a essa corrente.

"Observamos pela primeira vez essa voltagem bizarra há mais de uma década, mas nós e outros consideramos isso algum tipo de erro, "Bollinger disse." Mas então apareceu de novo, e de novo, e novamente - sob condições cada vez mais controladas - e ficamos sem maneiras de explicar isso. Quando finalmente mergulhamos, os resultados superaram nossas expectativas. "

Para identificar a origem do fenômeno, os cientistas fabricaram e mediram milhares de dispositivos modelados nos filmes HTS. Eles estudaram como essa tensão espontânea depende da direção da corrente, temperatura, e a composição química (o nível de dopagem pelo estrôncio, que controla a densidade do elétron). Eles também variaram o tipo e a estrutura cristalina dos substratos nos quais os filmes HTS são cultivados, e até mesmo como os substratos são polidos.

Esses estudos meticulosos mostraram, sem dúvida, que o efeito é intrínseco ao próprio material HTS, e que sua origem é puramente eletrônica.

No nível molecular, os líquidos comuns têm a mesma aparência em todas as direções. Algum, Contudo, são compostos de moléculas semelhantes a bastonetes, que tendem a se alinhar em uma direção preferida. Esses materiais são chamados de cristais líquidos - eles polarizam a luz e são amplamente usados ​​em monitores. Enquanto os elétrons em metais comuns se comportam como um líquido, em cupratos, eles se comportam como um cristal líquido eletrônico.

"Precisamos entender como esse comportamento do elétron se encaixa no quebra-cabeça HTS como um todo, "Ele disse." Este estudo nos dá novas idéias para perseguir e maneiras de lidar com o que pode ser o maior mistério da física da matéria condensada. Estou animado para ver aonde essa pesquisa nos levará. "