A equipe Brookhaven / Stony Brook (a partir da esquerda):Junjie Li, Yimei Zhu, Lijun Wu, Tatiana Konstantinova, e Peter Johnson. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Manipular o fluxo de energia através de supercondutores poderia transformar radicalmente a tecnologia, talvez levando a aplicativos como ultrarrápidos, computadores quânticos altamente eficientes. Mas essas dinâmicas sutis - incluindo a dispersão de calor - atuam com velocidade absurda em estruturas subatômicas estonteantes.
Agora, cientistas rastrearam interações nunca antes vistas entre elétrons e a estrutura cristalina de supercondutores de óxido de cobre. A colaboração, liderado por cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), alcançou precisão de medição mais rápido do que um trilionésimo de segundo por meio de uma combinação inovadora de técnicas experimentais.
"Essa descoberta oferece direta, uma visão fundamental das características intrigantes desses materiais notáveis, "disse o cientista do Laboratório Brookhaven Yimei Zhu, quem liderou a pesquisa. "Já tínhamos evidências de como as vibrações da rede impactam a atividade do elétron e dispersam o calor, mas foi tudo por dedução. Agora, finalmente, podemos ver isso diretamente. "
Os resultados, publicado em 27 de abril na revista Avanços da Ciência , poderia avançar na pesquisa sobre poderosos, fenômenos fugazes encontrados em óxidos de cobre - incluindo supercondutividade de alta temperatura - e ajudam os cientistas a criar novos, materiais de melhor desempenho.
"Encontramos uma paisagem atômica com nuances, onde certas altas frequências, vibrações "quentes" dentro do supercondutor absorvem rapidamente a energia dos elétrons e aumentam de intensidade, "disse a primeira autora Tatiana Konstantinova, um Ph.D. aluna da Stony Brook University fazendo seu trabalho de tese no Brookhaven Lab. "Outras seções da rede, Contudo, demoraram a reagir. Ver esse tipo de interação em camadas transforma nossa compreensão dos óxidos de cobre. "
Os cientistas usaram difração de elétrons ultrarrápida e espectroscopia de fotoemissão para observar mudanças na energia e momento do elétron, bem como flutuações na estrutura atômica.
Outras instituições colaboradoras incluem SLAC National Accelerator Laboratory, Universidade Estadual da Carolina do Norte, Universidade de Georgetown, e a Universidade de Duisburg-Essen na Alemanha.
Vibrações através de uma árvore cristalina
A equipe escolheu Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 , um conhecido óxido de cobre supercondutor que exibe fortes interações centrais para o estudo. Mesmo em temperaturas próximas do zero absoluto, a estrutura atômica cristalina vibra e pulsos muito leves de energia podem fazer com que as vibrações aumentem em amplitude.
"Essas vibrações atômicas são regimentadas e discretas, o que significa que eles se dividem em frequências específicas, "Zhu disse." Chamamos vibrações de fônons de frequências específicas, 'e suas interações com o fluxo de elétrons eram o nosso alvo. "
Este sistema de interações é um pouco como a distribuição de água através de uma árvore, Konstantinova explicou. Exposto à chuva, apenas as raízes podem absorver a água antes de espalhá-la pelo tronco e pelos galhos.
"Aqui, a água é como energia, chovendo na estrutura de ramificação do supercondutor, e o solo é como nossos elétrons, "Disse Konstantinova." Mas esses elétrons irão interagir apenas com certos fônons, que, por sua vez, redistribuir a energia. Esses fonons são como os ocultos, 'raízes' altamente interativas que precisávamos detectar. "
Instantâneos atômicos impulsionados por feixe
Os átomos flexionam e mudam em escalas de tempo extremamente rápidas - pense em 100 femtossegundos, ou bilhões de bilionésimos de segundo - e esses movimentos devem ser identificados para entender seu efeito. E, idealmente, dissecar e manipular essas interações.
A equipe usou um modelo personalizado, composto à base de bismuto em camadas, que pode ser clivado em amostras de 100 nanômetros por meio da aplicação relativamente simples de fita adesiva.
O material foi então testado usando a técnica chamada "pump-probe" de difração ultrarrápida de elétrons de milhões de elétrons-volts (MeV-UED). Como em experimentos resolvidos com tempo semelhantes, um pulso rápido de luz (bomba) atingiu a amostra, durando apenas 100 femtossegundos e depositando energia. Um feixe de elétrons se seguiu, ricocheteou na estrutura de cristal, e um detector mediu seu padrão de difração. Repetir esse processo - como uma série de instantâneos atômicos - revelou o rápido, mudança sutil de vibrações atômicas ao longo do tempo.
Após os experimentos iniciais do MeV-UED no Brookhaven Lab, a coleta de dados prosseguiu nas instalações do UED do SLAC National Accelerator Laboratory durante a realocação do instrumento Brookhaven para outro edifício. Colegas da unidade SLAC UED, liderado por Xijie Wang, ajudado no experimento.
A difração de elétrons, Contudo, forneceu apenas metade da imagem. Usando espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo e tempo (tr-ARPES), a equipe rastreou as mudanças nos elétrons dentro do material. Um laser inicial atingiu a amostra e um segundo rapidamente se seguiu - novamente com precisão de 100 femtossegundos - para chutar os elétrons para fora da superfície. A detecção desses elétrons voadores revelou mudanças ao longo do tempo, tanto na energia quanto no momento.
Os experimentos do tr-ARPES foram conduzidos nas instalações da University Duisburg-Essen pelos cientistas do Brookhaven Lab, Jonathan Rameau e Peter Johnson, e seus colegas alemães. Cientistas da North Carolina State University e da Georgetown University forneceram suporte teórico.
"Ambas as técnicas experimentais são bastante sofisticadas e requerem esforços de especialistas em várias disciplinas, de óptica de laser a aceleradores e física da matéria condensada, "Konstantinova disse." O calibre dos instrumentos e a qualidade da amostra nos permitiu distinguir entre diferentes tipos de vibrações reticuladas. "
A equipe mostrou que as vibrações atômicas evidentes nas interações elétron-rede são variadas e, em algumas formas, contra-intuitivo.
Quando a rede absorve energia dos elétrons, a amplitude dos fônons de alta freqüência aumenta primeiro, enquanto as vibrações de freqüência mais baixa aumentam por último. As diferentes taxas de fluxo de energia entre as vibrações significam que a amostra, quando sujeito a uma explosão de fótons, passa por novos estágios que seriam contornados se simplesmente expostos ao calor.
"Nossos dados orientam as novas descrições quantitativas do comportamento de não equilíbrio em sistemas complexos, "Konstantinova disse." A abordagem experimental prontamente se aplica a outros materiais interessantes onde as interações elétron-rede são de grande interesse. "
