Cientistas do Laboratório Nacional de Acelerador SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford mostraram que supercondutores à base de cobre, ou cuprates - a primeira classe de materiais encontrados para transportar eletricidade sem perda em temperaturas relativamente altas - contêm faixas flutuantes de carga de elétrons e giram que serpenteiam como riachos sobre um solo acidentado.

As listras são zonas onde os elétrons se acumulam, criando bandas de carga negativa, ou alinhe seus spins para criar faixas de magnetismo. Eles eram anteriormente conhecidos por existirem em supercondutores de cuprato em temperaturas próximas do zero absoluto, embora nesse frio profundo as listras não tenham se movido e seu papel exato na supercondutividade - elas aumentam ou sufocam? - não ficou claro.

Agora, os pesquisadores demonstraram computacionalmente pela primeira vez que essas listras também existem em altas temperaturas, mas são sutis e flutuam de uma maneira que só poderia ser descoberta por meio de simulações numéricas de computador de precisão e escala nunca antes realizadas. Os cientistas descreveram seu estudo em Ciência hoje.

"Há motivos para pensar que faixas de carga e spin podem estar intimamente ligadas ao surgimento de supercondutividade de alta temperatura nesses materiais, que foi descoberto há 30 anos, mas até agora não foi compreendido ou explicado, "disse Edwin Huang, um estudante de pós-graduação em física em Stanford e no Instituto Stanford de Materiais e Ciências da Energia (SIMES) no SLAC.

"Esta descoberta de listras flutuantes em um modelo de computador realista nos dará uma maneira de testar as muitas teorias sobre como as listras estão relacionadas à supercondutividade, "Huang disse." Acreditamos que nossos resultados serão úteis para os cientistas que fazem estudos experimentais desses materiais, e também ajudarão a desenvolver e refinar as técnicas computacionais que andam de mãos dadas com a teoria e os experimentos para impulsionar o campo. "

Os resultados também se aplicam a outros materiais novos, disse o Diretor do SIMES, Thomas Devereaux. "Materiais que desenvolvem espontaneamente esse tipo de estrutura não uniforme são bastante comuns, incluindo ímãs e ferroelétricos, "disse ele." Pode até ser pensado como uma assinatura de materiais 'quânticos', cujas propriedades surpreendentes são produzidas por elétrons que cooperam de maneiras inesperadas. Nossos resultados numéricos demonstram que esse fenômeno geralmente pode estar relacionado a fortes interações entre cargas de elétrons e spin. "

Um fenômeno misterioso

Em condutores elétricos convencionais, a corrente é transmitida por elétrons agindo individualmente. Mas em supercondutores, os elétrons se emparelham para transmitir a corrente virtualmente sem perda.

Por 75 anos após sua descoberta, todos os supercondutores conhecidos operaram apenas em temperaturas próximas do zero absoluto, limitando a maneira como eles poderiam ser usados.

Isso mudou em 1986, quando os cientistas descobriram que os cupratos podiam superconduzir em temperaturas muito mais altas (embora ainda bastante frias). Na verdade, certos compostos de cuprato são supercondutores a temperaturas superiores a 100 kelvins, ou menos 173 graus Celsius, permitindo o desenvolvimento de tecnologias supercondutoras que podem ser resfriadas com nitrogênio líquido.

Mas os pesquisadores ainda estão longe de seu objetivo de encontrar supercondutores que operem perto da temperatura ambiente para linhas de energia altamente eficientes, trens maglev e outras aplicações que podem ter um impacto profundo na sociedade. Sem uma compreensão fundamental de como funcionam os supercondutores de alta temperatura, o progresso tem sido lento.

A modelagem por computador é uma ferramenta crítica para alcançar esse entendimento. Modelos são conjuntos de equações matemáticas baseadas na física que os teóricos criam e refinam continuamente para simular o comportamento de um material usando algoritmos de computador. Eles verificam seus modelos em comparação com observações e resultados experimentais para ter certeza de que estão no caminho certo.

Nesse caso, a equipe modelou o comportamento do elétron e as interações em uma das camadas de óxido de cobre de um cuprato, que é onde a física interessante acontece, disse o cientista da equipe do SIMES, Brian Moritz. Os cálculos foram executados no cluster de supercomputador Sherlock de Stanford no SLAC e no Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética Nacional do DOE em Berkeley.

Os resultados estavam de acordo com os dados de experimentos de espalhamento de nêutrons em uma variedade de cupratos, os cientistas disseram, confirmando que suas simulações capturam com precisão a física eletrônica desses materiais.

Um modelo mais preciso

Esta é a primeira vez que o comportamento de alta temperatura de cupratos foi simulado com um modelo realista que cobre uma área grande o suficiente do material para ver listras flutuantes, Huang disse. Essa escala maior também torna os cálculos mais precisos.

"Precisávamos encontrar um bom equilíbrio, "disse ele." Estes são cálculos extremamente exigentes do ponto de vista computacional. Mas se você simular o comportamento de áreas menores, você não será capaz de ver nenhuma listra surgindo. Essa foi a principal limitação dos estudos anteriores. "

As simulações mostram que as listras emergem em temperaturas de até 600 graus Celsius e em uma ampla gama de condições de dopagem, onde compostos são adicionados a um material para ajustar seu comportamento eletrônico, e assim eles parecem ser uma característica universal dos supercondutores cupratos, disseram os pesquisadores.

"A ideia de que há listras flutuantes nos cupratos não é nova, mas tem sido um tema controverso por muitos anos, "Huang disse." O que há de novo aqui é que podemos apoiar sua existência usando computação imparcial em um modelo realista desses materiais. "

Uma coisa que o estudo não faz, ele adicionou, Essa é a resposta à questão de saber se ou como as listras flutuantes se transformam em supercondutividade:"Essa é a direção que queremos seguir."