Há uma perturbação literal na força que altera o que os físicos há muito consideram uma característica da supercondutividade, de acordo com cientistas da Rice University.

Os físicos do arroz Pengcheng Dai e Andriy Nevidomskyy e seus colegas usaram simulações e experimentos de espalhamento de nêutrons que mostram a estrutura atômica de materiais para revelar pequenas distorções da estrutura cristalina em um chamado composto pnictídeo de ferro de sódio, ferro, níquel e arsênico.

Essas distorções locais foram observadas entre a ordem atômica simétrica no material em temperaturas ultracold próximas ao ponto de supercondutividade ideal. Eles indicam que os pesquisadores podem ter algum espaço de manobra enquanto trabalham para aumentar a temperatura na qual os pnictídeos de ferro se tornam supercondutores.

A descoberta relatada esta semana em Nature Communications é o resultado de quase dois anos de trabalho da equipe do Rice e colaboradores nos EUA, Alemanha e China.

Dai e Nevidomskyy, ambos membros do Rice Center for Quantum Materials (RCQM), estão interessados ​​nos processos fundamentais que dão origem a novos fenômenos coletivos como a supercondutividade, o que permite que os materiais transmitam corrente elétrica sem resistência.

Os cientistas descobriram originalmente a supercondutividade em temperaturas ultracold que permitem que os átomos cooperem de maneiras que não são possíveis à temperatura ambiente. Mesmo supercondutores de "alta temperatura" conhecidos atingem 134 Kelvin à pressão ambiente, equivalente a 218 graus Fahrenheit negativos.

Portanto, se houver alguma esperança de uso prático generalizado da supercondutividade, os cientistas precisam encontrar lacunas na física básica de como os átomos e seus constituintes se comportam sob uma variedade de condições.

Isso é o que os pesquisadores de Rice fizeram com o pnictídeo de ferro, um "supercondutor não convencional" de sódio, ferro e arsênico, especialmente quando dopado com níquel.

Para tornar qualquer material supercondutor, deve ser resfriado. Isso o envia por três transições:primeiro, uma transição de fase estrutural que muda a rede; segundo, uma transição magnética que parece transformar materiais paramagnéticos em antiferromagnetos nos quais os spins dos átomos se alinham em direções alternadas; e terceiro, a transição para a supercondutividade. Às vezes, a primeira e a segunda fases são quase simultâneas, dependendo do material.

Na maioria dos supercondutores não convencionais, cada estágio é crítico para o próximo, conforme os elétrons no sistema começam a se ligar em pares de Cooper, alcançando correlação de pico em um ponto crítico quântico, o ponto em que a ordem magnética é suprimida e a supercondutividade aparece.

Mas no supercondutor pnictide, os pesquisadores descobriram que a primeira transição é um pouco confusa, já que parte da rede assumiu uma propriedade conhecida como fase nemática. Nematic é derivado da palavra grega para "semelhante a fio" e é semelhante à física dos cristais líquidos que se alinham em reação a uma força externa.

A chave para a supercondutividade do material parece residir em uma propriedade sutil que é exclusiva dos pnictídeos de ferro:uma transição estrutural em sua rede cristalina, o arranjo ordenado de seus átomos, de tetragonal a ortorrômbico. Em um cristal tetragonal, os átomos são organizados como cubos que foram esticados em uma direção. Uma estrutura ortorrômbica tem a forma de um tijolo.

Cristais de pnictide de sódio-ferro-arsênio são conhecidos por serem tetragonais até resfriados a uma temperatura de transição que força a rede a se tornar ortorrômbica, um passo em direção à supercondutividade que aparece em temperaturas mais baixas. Mas os pesquisadores de Rice ficaram surpresos ao ver regiões ortorrômbicas anômalas bem acima dessa temperatura de transição estrutural. Isso ocorreu em amostras que foram minimamente dopadas com níquel e persistiram quando os materiais foram superdopados, eles relataram.

“Na fase tetragonal, as direções (quadradas) A e B da rede são absolutamente iguais, "disse Dai, que realizou experimentos de espalhamento de nêutrons para caracterizar o material no Oak Ridge National Laboratory, o Instituto Nacional de Padrões e Centro de Tecnologia para Pesquisa de Nêutrons e a Fonte de Pesquisa de Nêutrons no Centro Heinz Maier-Leibnitz.

"Quando você esfriar, inicialmente se torna ortorrômbico, o que significa que a rede colapsa espontaneamente em um eixo, e ainda assim não há ordem magnética. Descobrimos que, medindo com muita precisão este parâmetro de rede e sua distorção dependente da temperatura, fomos capazes de dizer como a rede muda em função da temperatura no regime tetragonal paramagnético. "

Eles ficaram surpresos ao ver bolsões de uma fase nemática supercondutora distorcendo a rede em direção à forma ortorrômbica, mesmo acima da primeira transição.

"Todo o trabalho sugere que há distorções locais que aparecem em uma temperatura na qual o sistema, em princípio, deve ser tetragonal, "Dai disse." Essas distorções locais não mudam apenas em função da temperatura, mas na verdade 'sabem' sobre a supercondutividade. Então, sua dependência da temperatura muda na supercondutividade ideal, o que sugere que o sistema tem um ponto crítico quântico nemático, quando as fases nemáticas locais são suprimidas.

"Basicamente, diz a você que esta ordem nemática está competindo com a própria supercondutividade, "disse ele." Mas isso sugere que a flutuação nemática também pode ajudar a supercondutividade, porque muda a dependência da temperatura em torno do doping ideal. "

Ser capaz de manipular esse ponto de dopagem ideal pode dar aos pesquisadores uma melhor capacidade de projetar materiais com propriedades novas e previsíveis.

"As flutuações nemáticas eletrônicas crescem muito nas proximidades do ponto crítico quântico, e eles ficam presos por imperfeições e impurezas do cristal local, manifestando-se nas distorções locais que medimos, "disse Nevidomskyy, quem conduziu o lado teórico da investigação. "O aspecto mais intrigante é que a supercondutividade é mais forte quando isso acontece, sugerindo que essas flutuações nemáticas são instrumentais em sua formação. "