Supercondutores carregam eletricidade com eficiência perfeita, ao contrário do inevitável desperdício inerente aos condutores tradicionais como o cobre. Mas essa perfeição tem o preço de um frio extremo - mesmo a chamada supercondutividade de alta temperatura (HTS) só surge bem abaixo de zero grau Fahrenheit. A descoberta do sempre evasivo mecanismo por trás do HTS pode revolucionar tudo, desde redes de energia regionais até turbinas eólicas.

Agora, uma colaboração liderada pelo Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA descobriu uma quebra surpreendente nas interações de elétrons que podem sustentar o HTS. Os cientistas descobriram que, à medida que a supercondutividade desaparece em altas temperaturas, ondas poderosas de elétrons começam a se desacoplar curiosamente e a se comportar de forma independente - como ondas do mar se dividindo e ondulando em diferentes direções.

"Pela primeira vez, identificamos essas interações eletrônicas importantes que acontecem depois que a supercondutividade diminui, "disse o primeiro autor e associado de pesquisa do Brookhaven Lab, Hu Miao." O retrato é mais estranho e mais emocionante do que esperávamos, e oferece novas maneiras de compreender e explorar potencialmente esses materiais notáveis. "

O novo estudo, publicado em 7 de novembro na revista PNAS , explora a interação intrigante entre duas propriedades quânticas principais dos elétrons:spin e carga.

"Sabemos que a carga e o spin se bloqueiam e formam ondas em óxidos de cobre resfriados a temperaturas supercondutoras, "disse o autor sênior do estudo e físico do Brookhaven Lab, Mark Dean." Mas não percebemos que essas ondas de elétrons persistem, mas parecem se desacoplar em temperaturas mais altas. "

Ondas e listras eletrônicas

Cientistas do Brookhaven Lab descobriram em 1995 que a rotação e a carga podem se unir e formar "listras" espacialmente moduladas a baixas temperaturas em alguns materiais HTS. Outros materiais, Contudo, apresentam cargas de elétrons correlacionadas rolando como ondas de densidade de carga que parecem ignorar inteiramente o spin. Aprofundando o mistério HTS, carga e rotação também podem abandonar a independência e se conectar.

"O papel dessas 'listras' e ondas correlacionadas na supercondutividade de alta temperatura é muito debatido, "Miao disse." Alguns elementos podem ser essenciais ou apenas uma pequena peça do quebra-cabeça maior. Precisávamos de uma imagem mais clara da atividade do elétron em todas as temperaturas, particularmente os sinais fugazes em temperaturas mais altas. "

Imagine conhecer a estrutura química precisa do gelo, por exemplo, mas não tendo ideia do que acontece quando se transforma em líquido ou vapor. Com esses supercondutores de óxido de cobre, ou cuprates, há um mistério comparável, mas escondido em materiais muito mais complexos. Ainda, os cientistas basicamente precisavam pegar uma amostra gelada e aquecê-la meticulosamente para rastrear exatamente como suas propriedades mudam.

Sinais sutis em materiais feitos sob medida

A equipe recorreu a um material HTS bem estabelecido, óxidos de cobre de lantânio-bário (LBCO) conhecidos por fortes formações de faixas. A cientista do Brookhaven Lab, Genda Gu, preparou meticulosamente as amostras e personalizou as configurações de elétrons.

"Não podemos ter nenhuma anormalidade estrutural ou átomos errantes nesses cupratos - eles devem ser perfeitos, "Disse Dean." Genda está entre as melhores do mundo na criação desses materiais, e temos a sorte de ter seu talento tão disponível. "

Em baixas temperaturas, os sinais de elétrons são poderosos e facilmente detectados, que é parte do motivo pelo qual sua descoberta aconteceu décadas atrás. Para detectar os sinais mais evasivos em temperaturas mais altas, a equipe precisava de uma sensibilidade sem precedentes.

"Recorremos à Instalação Europeia de Radiação Síncrotron (ESRF) na França para o trabalho experimental principal, "Miao disse." Nossos colegas operam uma linha de luz que ajusta cuidadosamente a energia dos raios-X para ressoar com elétrons específicos e detectar pequenas mudanças em seu comportamento.

A equipe usou uma técnica chamada espalhamento inelástico ressonante de raios-X (RIXS) para rastrear a posição e a carga dos elétrons. Um feixe de raios-x focalizado atinge o material, deposita alguma energia, e então rebate nos detectores. Esses raios X espalhados carregam a assinatura dos elétrons que atingem ao longo do caminho.

Conforme a temperatura subiu nas amostras, fazendo com que a supercondutividade desapareça, as ondas acopladas de carga e rotação começaram a desbloquear e mover-se independentemente.

"Isso indica que seu acoplamento pode reforçar a formação da faixa, ou através de algum mecanismo desconhecido capacita a supercondutividade de alta temperatura, "Miao disse." Certamente justifica uma exploração mais aprofundada em outros materiais para ver o quão prevalente é esse fenômeno. É um insight importante, certamente, mas é muito cedo para dizer como isso pode desbloquear o mecanismo HTS. "

Essa exploração adicional incluirá materiais HTS adicionais, bem como outras instalações de síncrotron, notavelmente a Fonte de Luz Síncrotron Nacional II do Brookhaven Lab (NSLS-II), um DOE Office of Science User Facility.

"Usando novas linhas de luz no NSLS-II, teremos a liberdade de girar a amostra e tirar proveito de uma resolução de energia significativamente melhor, "Disse Dean." Isso nos dará uma imagem mais completa das correlações de elétrons em toda a amostra. Há muito mais descobertas por vir. "