Pulsos de laser intensos foram usados para fotoexcitar compostos de bismutato, em que “ondas de densidade de carga” (lado esquerdo) coexistem com supercondutividade (lado direito). Crédito:Joerg M. Harms, MPSD
Um estudo liderado por cientistas do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD) no Centro de Ciência do Laser de Elétrons Livres em Hamburgo apresenta evidências da coexistência de supercondutividade e "ondas de densidade de carga" em compostos de família de bismutatos pouco estudada. Esta observação abre novas perspectivas para uma compreensão mais profunda do fenômeno da supercondutividade de alta temperatura, um tópico que está no cerne da pesquisa de matéria condensada há mais de 30 anos. O artigo de Nicoletti et al foi publicado no PNAS .
Desde o início do século 20, a supercondutividade foi observada em alguns metais em temperaturas apenas alguns graus acima do zero absoluto (menos 273 graus Celsius). Somente na década de 1980, físicos conseguiram sintetizar novas classes de compostos, com base em materiais cerâmicos, que eram capazes de conduzir eletricidade sem quaisquer perdas em temperaturas de até 138 K (menos 135 graus Celsius). Eles foram chamados de "supercondutores de alta temperatura".
A família de supercondutores de alta temperatura mais conhecida e amplamente estudada é a dos cupratos, que exibem de longe as temperaturas críticas mais altas (ou seja, a temperatura abaixo da qual ocorre a supercondutividade), e são, portanto, os mais promissores para aplicações. Contudo, existe uma grande variedade de outros compostos, que também manifestam supercondutividade em temperaturas bastante altas, entre eles os recém-descobertos pnictides de ferro.
Uma imagem universal capaz de descrever a física por trás do fenômeno da supercondutividade de alta temperatura ainda está faltando. Contudo, uma característica comum importante entre quase todos os supercondutores de alta temperatura é o surgimento de supercondutividade na proximidade de outras fases exóticas da matéria, como as "ondas de densidade de carga". Todos esses materiais podem ser normalmente ajustados de uma fase para outra, possivelmente alcançando supercondutividade, por dopagem química, pressão externa, ou campos magnéticos. Contudo, a sutil inter-relação dessas fases permanece mal compreendida, e em alguns casos, há evidências de que ondas de densidade de carga e supercondutividade podem coexistir microscopicamente no mesmo composto.
Em tais circunstâncias, experimentos realizados estimulando materiais com ultracurtos, Pulsos de laser intensos (tão curtos quanto algumas centenas de femtossegundos) foram mostrados no passado para fornecer novos insights na física desses sistemas. Por exemplo, o grupo de Andrea Cavalleri no MPSD em Hamburgo já demonstrou com sucesso que, em alguns compostos de cupratos, tais pulsos podem ser usados para remover ondas de densidade de carga e promover supercondutividade em temperaturas mais altas, possivelmente até mesmo até a temperatura ambiente (W. Hu, Materiais da Natureza , 13, 705-711 e R. Mankowsky, Nature 516, 71–73).
No presente trabalho, Nicoletti, Cavalleri e colegas de trabalho focaram em diferentes compostos, pertencente à pouco estudada família dos bismutatos. Esses supercondutores foram descobertos na década de 1970, mesmo antes dos cuprates, mas eles atraíram menos atenção devido às suas temperaturas críticas muito mais baixas (cerca de 30 K). Eles compartilham muitos pontos em comum, mas também algumas diferenças com seus parentes mais conhecidos. Em particular, o chamado "composto original", BaBiO (3), tem uma fase de onda de densidade de carga robusta, a partir da qual a supercondutividade emerge por substituição química.
Cristais de BaPb de alta qualidade 1-x BixO 3 , com diferentes concentrações de Pb "x", foram sintetizados e caracterizados por Ian R. Fisher e P. Giraldo-Gallo na Universidade de Stanford, Califórnia. A equipe de Hamburgo realizou uma série de experimentos nesses cristais, em que eles fotoexcitaram os materiais com pulsos de laser muito curtos e intensos e mediram como sua condutividade foi modificada transitoriamente e relaxada de volta ao valor inicial em poucos picossegundos. Ao analisar a dependência de tal sinal na frequência, temperatura, e concentração de Pb, eles poderiam atribuí-lo exclusivamente a uma modificação da fase de onda de densidade de carga induzida pelo campo de laser.
"Surpreendentemente", disse Nicoletti, "fomos capazes de medir esta resposta não apenas no composto pai BaBiO 3 , para o qual uma onda de densidade de carga é bem conhecida por existir, mas também em um composto supercondutor dopado com Pb. Esta observação é uma demonstração indireta da coexistência de ondas de densidade de carga e supercondutividade no mesmo material, algo que foi discutido anteriormente, mas nunca definitivamente estabelecido nesta classe de materiais ".
Os cientistas também foram capazes de determinar exatamente as escalas de energia associadas à modificação das ondas de densidade de carga, fornecendo assim novas informações sobre sua interação dinâmica com a supercondutividade em bismutatos.
Esses resultados são especialmente oportunos, dado que ondas de densidade de carga foram recentemente encontradas em vários supercondutores de cuprato, apontando para uma semelhança surpreendente entre alguns aspectos desses materiais. O presente experimento é um exemplo adicional de como a luz pode ser empregada para investigar, ao controle, e manipular materiais complexos. Um dos objetivos finais dessa linha de pesquisa é orientar a engenharia de materiais no desenvolvimento de novas funcionalidades em temperaturas cada vez mais elevadas.
