Quando se trata de supercondutores de alta temperatura, "alto" é um termo relativo. No campo da supercondutividade, "alta temperatura" significa qualquer coisa que ainda possa ser supercondutiva acima de 30 graus Kelvin (K), ou um ameno -405 graus Fahrenheit (F).
O primeiro supercondutor de alta temperatura foi descoberto em 1986, em compostos cerâmicos de cobre e oxigênio conhecidos como cupratos. Esses materiais podem atingir a supercondutividade em torno de 35 graus Kelvin ou -396,67 graus Fahrenheit. Nas décadas seguintes, esse limite de temperatura aumentou e, Até a presente data, pesquisadores alcançaram supercondutividade em cupratos em temperaturas de até 135 graus Kelvin.
É um progresso importante, para ter certeza, mas a supercondutividade à temperatura ambiente, que requer operação a 300 graus Kelvin, ainda está muito longe, se não impossível.
Um dos maiores obstáculos é que os pesquisadores ainda não entendem os mecanismos subjacentes completos da supercondutividade do cuprato e por que há tanta variabilidade na temperatura de transição supercondutora entre os compostos de cuprato.
Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson podem ter a resposta. Os pesquisadores, liderado por Xin Li, Professor Assistente de Ciência dos Materiais no SEAS, descobriram que a força de uma ligação química específica em compostos de cuprato afeta a temperatura na qual o material atinge a supercondutividade.
A pesquisa é publicada em Cartas de revisão física .
"Este pode ser um novo começo para projetar materiais com supercondutividade de alta temperatura, "disse Li." Nossa pesquisa lança luzes sobre um componente-chave dos fenômenos complicados em cupratos e nos aponta em uma direção nova e emocionante para o design de materiais. "
Todos os cupratos têm os mesmos blocos de construção estruturais - planos em camadas de peróxido de cobre (CuO 2 ) com um íon de oxigênio fora do plano, conhecido como oxigênio apical. Este íon de oxigênio fica acima de cada átomo de cobre no CuO 2 plano, como uma bóia na superfície da água. A principal diferença entre os compostos de cuprato vem de que outro elemento é anexado à bóia de oxigênio. Este elemento é conhecido como cátion apical e pode ser uma variedade de elementos, incluindo lantânio, bismuto, cobre, ou mercúrio.
A temperatura na qual o material se torna supercondutor muda dependendo de qual elemento é usado, mas ninguém sabe realmente por quê.
Comparando simulação e experimentos, Li e sua equipe demonstraram que a chave é a ligação entre o cátion apical e o oxigênio apical - quanto mais forte a ligação química, a temperatura mais alta em que o material se torna supercondutor.
Mas por que essa ligação aumenta as temperaturas supercondutoras?
Supercondutores são frequentemente descritos como superestradas de elétrons, ou pistas de supercarpool, em que os pares de elétrons são carros e o material supercondutor é o especial, estrada sem atrito para os carros se moverem.
Contudo, elétrons realmente não se movem através de um supercondutor de alta temperatura como um carro em uma estrada. Em vez de, eles saltam. Esse processo de salto é muito mais fácil quando a rede cristalina na qual os elétrons se movem oscila de uma maneira particular.
Uma forte ligação química entre o ânion apical e o cátion apical aumenta a oscilação tanto da rede quanto da corrente elétrica induzida.
Imagine uma pipa amarrada a uma bóia e muitas dessas unidades de bóia-pipa se alinham. Se o vínculo entre a pipa e a bóia for forte, a pipa pode puxar a bóia para cima e para baixo, causando ondulações e respingos na água. As ondulações são semelhantes à oscilação da rede e os salpicos representam os elétrons que são empurrados para fora do CuO 2 plano. As ondas e respingos não são caóticos, em vez, eles seguem cooperativamente certas regras que dizem aos bouys como oscilar da melhor maneira para ajudar o elétron a saltar facilmente ao longo do material.
"Demonstramos que esta unidade estrutural - a camada de oxigênio de cobre, o ânion apical, e o cátion apical - é um bloco de construção fundamental que pode se acoplar dinamicamente para controlar as propriedades supercondutoras do material, "disse Li." Isso abre um caminho inteiramente novo para explorar as propriedades supercondutoras dos materiais. "
Próximo, os pesquisadores pretendem explorar como este novo efeito impacta nossa compreensão do misterioso diagrama de fase em supercondutores de alta temperatura, incluindo o mecanismo de emparelhamento nesses supercondutores.
