Uma equipe de cientistas detectou um estado oculto de ordem eletrônica em um material em camadas contendo lantânio, bário, cobre, e oxigênio (LBCO). Quando resfriado a uma certa temperatura e com certas concentrações de bário, LBCO é conhecido por conduzir eletricidade sem resistência, mas agora há evidências de que um estado supercondutor realmente ocorre acima dessa temperatura também. Era apenas uma questão de usar a ferramenta certa - neste caso, pulsos de luz infravermelha de alta intensidade - para ser capaz de vê-la.

Relatado em um artigo publicado na edição de 2 de fevereiro de Ciência , a descoberta da equipe fornece mais informações sobre o mistério de décadas da supercondutividade em LBCO e compostos semelhantes contendo camadas de cobre e oxigênio imprensadas entre outros elementos. Esses "cupratos" tornam-se supercondutores a temperaturas relativamente mais altas do que os supercondutores tradicionais, que deve ser congelado próximo ao zero absoluto (menos 459 graus Fahrenheit) antes que seus elétrons possam fluir através deles com eficiência de 100 por cento. Entender por que os cupratos se comportam dessa maneira poderia ajudar os cientistas a projetar melhores supercondutores de alta temperatura, eliminando o custo de sistemas de resfriamento caros e melhorando a eficiência da geração de energia, transmissão, e distribuição. Imagine computadores que nunca esquentam e redes elétricas que nunca perdem energia.

"O objetivo final é alcançar a supercondutividade à temperatura ambiente, "disse John Tranquada, um físico e líder do Grupo de Dispersão de Nêutrons no Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência de Materiais do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), onde estuda cuprates desde a década de 1980. "Se quisermos fazer isso por design, temos que descobrir quais recursos são essenciais para a supercondutividade. Extrair esses recursos em materiais tão complicados como os cuprates não é uma tarefa fácil. "

Os planos cobre-oxigênio do LBCO contêm "faixas" de carga elétrica separadas por um tipo de magnetismo no qual o elétron gira em direções opostas. Para que o LBCO se torne supercondutor, os elétrons individuais nessas faixas precisam ser capazes de emparelhar e mover-se em uníssono por todo o material.

Experimentos anteriores mostraram que, acima da temperatura na qual o LBCO se torna supercondutor, a resistência ocorre quando o transporte elétrico é perpendicular aos planos, mas é zero quando o transporte é paralelo. Os teóricos propuseram que este fenômeno pode ser a consequência de uma modulação espacial incomum da supercondutividade, com a amplitude do estado supercondutor oscilando de positivo para negativo ao se mover de uma faixa de carga para a próxima. O padrão de listras gira 90 graus de camada para camada, e eles pensaram que essa orientação relativa estava bloqueando os pares de elétrons supercondutores de se moverem coerentemente entre as camadas.

"Essa ideia é semelhante a passar luz por um par de polarizadores ópticos, como as lentes de certos óculos de sol, "disse Tranquada." Quando os polarizadores têm a mesma orientação, eles passam luz, mas quando sua orientação relativa é girada em 90 graus, eles bloqueiam toda a luz. "

Contudo, faltava um teste experimental direto dessa imagem - até agora.

Um dos desafios é sintetizar o grande, cristais únicos de alta qualidade de LBCO necessários para conduzir experimentos. "Leva dois meses para crescer um cristal, e o processo requer controle preciso da temperatura, atmosfera, composição química, e outras condições, "disse a co-autora Genda Gu, um físico do grupo de Tranquada. Gu usou um forno de imagem infravermelho - uma máquina com duas lâmpadas brilhantes que focam a luz infravermelha em uma haste cilíndrica contendo o material inicial, aquecendo-o a quase 2.500 graus Fahrenheit e fazendo-o derreter - em seu laboratório de crescimento de cristal para fazer crescer os cristais LBCO.

Colaboradores do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria e da Universidade de Oxford direcionaram luz infravermelha, gerado a partir de pulsos de laser de alta intensidade, nos cristais (com a polarização da luz em uma direção perpendicular aos planos) e mediu a intensidade da luz refletida de volta da amostra. Além da resposta usual - os cristais refletiam a mesma frequência de luz enviada - os cientistas detectaram um sinal três vezes maior do que a frequência da luz incidente.

"Para amostras com supercondutividade tridimensional, a assinatura supercondutora pode ser vista tanto na frequência fundamental quanto no terceiro harmônico, "disse Tranquada." Para uma amostra em que listras de carga bloqueiam a corrente supercondutora entre as camadas, não há assinatura óptica na frequência fundamental. Contudo, levando o sistema fora de equilíbrio com a intensa luz infravermelha, os cientistas induziram um acoplamento líquido entre as camadas, e a assinatura supercondutora aparece no terceiro harmônico. Tínhamos suspeitado que o emparelhamento de elétrons estava presente - bastava uma ferramenta mais forte para trazer essa supercondutividade à luz. "

Os teóricos da Universidade de Hamburgo apoiaram esta observação experimental com análises e simulações numéricas da refletividade.

Esta pesquisa fornece uma nova técnica para sondar diferentes tipos de ordens eletrônicas em supercondutores de alta temperatura, e a nova compreensão pode ser útil para explicar outros comportamentos estranhos nos cupratos.