Até cerca de 50 anos atrás, todos os supercondutores conhecidos eram metais. Isso fazia sentido, porque os metais têm o maior número de elétrons "portadores" fracamente ligados que são livres para se emparelhar e fluir como corrente elétrica sem resistência e 100 por cento de eficiência - a marca registrada da supercondutividade.

Então apareceu um estranho - titanato de estrôncio, o primeiro material de óxido e o primeiro semicondutor considerado supercondutor. Mesmo que não se encaixe no perfil clássico de um supercondutor - ele tem muito poucos elétrons livres para vagar - ele se torna supercondutor quando as condições são adequadas, embora ninguém pudesse explicar por quê.

Agora, os cientistas investigaram o comportamento supercondutor de seus elétrons em detalhes pela primeira vez. Eles descobriram que é ainda mais estranho do que pensavam. No entanto, isso é uma boa notícia, eles disseram, porque dá a eles um novo ângulo para pensar sobre o que é conhecido como supercondutividade de "alta temperatura", um fenômeno que poderia ser aproveitado para uma futura geração de linhas de energia perfeitamente eficientes, trens levitando e outras tecnologias revolucionárias.

A equipe de pesquisa, liderado por cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford, descreveu seu estudo em um artigo publicado em 30 de janeiro no Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Se os supercondutores de metal convencionais estão em uma extremidade do espectro, o titanato de estrôncio está totalmente na outra extremidade. Ele tem a menor densidade de elétrons disponíveis de qualquer supercondutor que conhecemos, "disse Adrian Swartz, um pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Stanford para Ciência de Materiais e Energia (SIMES) que liderou a parte experimental da pesquisa com Hisashi Inoue, um estudante de graduação de Stanford na época.

"É um de um grande número de materiais que chamamos de supercondutores 'não convencionais' porque eles não podem ser explicados pelas teorias atuais, "Disse Swartz." Ao estudar seu comportamento extremo, esperamos obter insights sobre os ingredientes que levam à supercondutividade nesses materiais não convencionais, incluindo aqueles que operam em temperaturas mais altas. "

Teorias de duelo

De acordo com a teoria amplamente aceita conhecida como BCS para as iniciais de seus inventores, a supercondutividade convencional é acionada por vibrações naturais que se propagam através da estrutura atômica de um material. As vibrações fazem com que os elétrons portadores se emparelhem e se condensem em um superfluido, que flui através do material sem resistência - uma corrente elétrica 100% eficiente. Nesta foto, o material supercondutor ideal contém uma alta densidade de elétrons que se movem rapidamente, e mesmo vibrações de rede relativamente fracas são suficientes para colar pares de elétrons.

Mas fora da teoria, no reino dos supercondutores não convencionais, ninguém sabe o que cola os pares de elétrons, e nenhuma das teorias concorrentes prevalece.

Para encontrar pistas sobre o que está acontecendo dentro do titanato de estrôncio, os cientistas tiveram que descobrir como aplicar uma ferramenta importante para estudar o comportamento supercondutor, conhecido como espectroscopia de tunelamento, a este material. Isso levou vários anos, disse Harold Hwang, professor do SLAC e Stanford e investigador do SIMES.

"O desejo de fazer este experimento existe há décadas, mas tem sido um desafio técnico, "disse ele." Este é, até onde sei, o primeiro conjunto completo de dados proveniente de um experimento de tunelamento neste material. "Entre outras coisas, a equipe pôde observar como o material respondeu ao doping, um processo comumente usado em que elétrons são adicionados a um material para melhorar seu desempenho eletrônico.

'Tudo está de cabeça para baixo'

As medições de tunelamento revelaram que o titanato de estrôncio é exatamente o oposto do que você esperaria de um supercondutor:suas vibrações de rede são fortes e seus elétrons portadores são poucos e lentos.

“Este é um sistema onde tudo está de cabeça para baixo, "Hwang disse.

Por outro lado, detalhes como o comportamento e densidade de seus elétrons e a energia necessária para formar o estado supercondutor correspondem quase exatamente ao que você esperaria da teoria BCS convencional, Disse Swartz.

"Assim, titanato de estrôncio parece ser um supercondutor não convencional que atua como um convencional em alguns aspectos, "disse ele." Este é um enigma e tanto, e uma grande surpresa para nós. Descobrimos algo que era mais confuso do que pensávamos originalmente, que do ponto de vista da física fundamental é mais profundo. "

Ele adicionou, "Se pudermos melhorar nossa compreensão da supercondutividade neste conjunto intrigante de circunstâncias, poderíamos potencialmente aprender como colher os ingredientes para realizar a supercondutividade em temperaturas mais altas. "

O próximo passo, Swartz disse, é usar a espectroscopia de tunelamento para testar uma série de previsões teóricas sobre por que o titanato de estrôncio age dessa maneira.