Em materiais supercondutores, os elétrons se emparelham e se condensam em um estado quântico que transporta corrente elétrica sem perda. Isso geralmente acontece em temperaturas muito baixas. Os cientistas realizaram um esforço total para desenvolver novos tipos de supercondutores que funcionam próximo à temperatura ambiente, o que economizaria enormes quantidades de energia e abriria um novo caminho para o projeto de eletrônica quântica. Para chegar lá, eles precisam descobrir o que desencadeia essa forma de supercondutividade de alta temperatura e como fazer isso acontecer sob demanda.

Agora, em estudos independentes relatados em Ciência e Natureza , cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford relataram dois avanços importantes:Eles mediram as vibrações coletivas dos elétrons pela primeira vez e mostraram como as interações coletivas dos elétrons com outros fatores parecem aumentar a supercondutividade.

Realizado com diferentes materiais à base de cobre e com diferentes técnicas de ponta, os experimentos apresentam novas abordagens para investigar como os supercondutores não convencionais operam.

"Basicamente, o que estamos tentando fazer é entender o que torna um bom supercondutor, "disse o co-autor Thomas Devereaux, professor do SLAC e Stanford e diretor do SIMES, o Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, cujos investigadores conduziram ambos os estudos.

"Quais são os ingredientes que podem dar origem à supercondutividade em temperaturas bem acima do que são hoje?" ele disse. "Estes e outros estudos recentes indicam que a rede atômica desempenha um papel importante, dando-nos a esperança de estarmos ganhando terreno para responder a essa pergunta. "

O quebra-cabeça de alta temperatura

Supercondutores convencionais foram descobertos em 1911, e os cientistas sabem como funcionam:elétrons flutuantes são atraídos pela estrutura de átomos de um material, que tem uma carga positiva, de uma forma que os permite emparelhar e fluir como corrente elétrica com 100 por cento de eficiência. Hoje, tecnologia supercondutora é usada em máquinas de ressonância magnética, trens maglev e aceleradores de partículas.

Mas esses supercondutores funcionam apenas quando resfriados a temperaturas tão baixas quanto o espaço sideral. Então, quando os cientistas descobriram em 1986 que uma família de materiais à base de cobre, conhecidos como cupratos, podem superconduzir em níveis muito mais elevados, embora ainda bastante frio, temperaturas, eles estavam exultantes.

A temperatura operacional dos cupratos tem aumentado gradualmente - o recorde atual é cerca de 120 graus Celsius abaixo do ponto de congelamento da água - enquanto os cientistas exploram uma série de fatores que podem aumentar ou interferir em sua supercondutividade. Mas ainda não há consenso sobre como funcionam os cuprates.

"A questão chave é como podemos fazer todos esses elétrons, que se comportam como indivíduos e não querem cooperar com os outros, condensar em um estado coletivo onde todas as partes participam e dão origem a este notável comportamento coletivo? "disse Zhi-Xun Shen, um professor do SLAC / Stanford e investigador do SIMES que participou de ambos os estudos.

Impulso nos bastidores

Um dos novos estudos, na Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) da SLAC, deu uma olhada sistemática em como o "doping" - adicionar uma substância química que altera a densidade dos elétrons em um material - afeta a supercondutividade e outras propriedades de um cuprato chamado Bi2212.

Pesquisadores colaboradores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST) no Japão prepararam amostras do material com níveis ligeiramente diferentes de dopagem. Em seguida, uma equipe liderada pelo pesquisador do SIMES Yu He e o cientista da equipe do SSRL Makoto Hashimoto examinou as amostras no SSRL com espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido, ou ARPES. Ele usa um poderoso feixe de luz de raios-X para chutar elétrons individuais para fora de um material de amostra para que seu momento e energia possam ser medidos. Isso revela o que os elétrons do material estão fazendo.

Nesse caso, conforme o nível de doping aumentou, a temperatura supercondutora máxima do material atingiu o pico e caiu novamente, Ele disse.

A equipe se concentrou em amostras com propriedades supercondutoras particularmente robustas. Eles descobriram que três efeitos entrelaçados - interações de elétrons entre si, com vibrações de rede e com a própria supercondutividade - reforçam-se mutuamente em um ciclo de feedback positivo quando as condições forem adequadas, aumentando a supercondutividade e aumentando a temperatura supercondutora do material.

Pequenas mudanças no doping produziram grandes mudanças na supercondutividade e na interação dos elétrons com as vibrações da rede, Disse Devereaux. A próxima etapa é descobrir por que esse nível específico de doping é tão importante.

"Uma teoria popular é que, em vez de a rede atômica ser a fonte do emparelhamento de elétrons, como em supercondutores convencionais, os elétrons em supercondutores de alta temperatura formam algum tipo de conspiração por si próprios. Isso é chamado de correlação eletrônica, "Yu Ele disse." Por exemplo, se você tivesse uma sala cheia de elétrons, eles se espalhariam. Mas se alguns deles demandam mais espaço individual, outros terão que se apertar mais para acomodá-los. "

Neste estudo, Ele disse, "O que descobrimos é que a rede tem um papel nos bastidores, afinal, e podemos ter esquecido um ingrediente importante para a supercondutividade de alta temperatura nas últimas três décadas, "uma conclusão que está ligada aos resultados de pesquisas anteriores do grupo SIMES.

Electron 'Sound Waves'

O outro estudo, realizado na European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) na França, usaram uma técnica chamada espalhamento inelástico de raios-X ressonante, ou RIXS, observar o comportamento coletivo dos elétrons em cupratos estratificados conhecidos como LCCO e NCCO.

RIXS excita elétrons dentro dos átomos com raios-X, e então mede a luz que eles emitem à medida que se acomodam em seus pontos originais.

No passado, a maioria dos estudos se concentrou apenas no comportamento dos elétrons dentro de uma única camada de material cuprato, onde os elétrons são conhecidos por serem muito mais móveis do que entre as camadas, disse o cientista da equipe do SIMES Wei-Sheng Lee. Ele liderou o estudo com Matthias Hepting, que agora está no Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido na Alemanha.

Mas neste caso, a equipe queria testar uma ideia levantada por teóricos - que a energia gerada pelos elétrons em uma camada repelindo elétrons na próxima desempenha um papel crítico na formação do estado supercondutor.

Quando animado pela luz, esta energia de repulsão leva os elétrons a formar uma onda sonora distinta conhecida como plasmon acústico, o que os teóricos prevêem pode ser responsável por até 20 por cento do aumento na temperatura supercondutora visto em cupratos.

Com o que há de mais recente em tecnologia RIXS, a equipe do SIMES foi capaz de observar e medir esses plasmons acústicos.

"Aqui, vemos pela primeira vez como os plasmons acústicos se propagam por toda a rede, "Disse Lee." Embora isso não resolva a questão de onde vem a energia necessária para formar o estado supercondutor, isso nos diz que a própria estrutura em camadas afeta a maneira como os elétrons se comportam de uma maneira muito profunda. "

Esta observação prepara o terreno para estudos futuros que manipulam as ondas sonoras com luz, por exemplo, de uma forma que aumenta a supercondutividade, Lee disse. Os resultados também são relevantes para o desenvolvimento de tecnologia plasmônica futura, ele disse, com uma gama de aplicações de sensores a dispositivos fotônicos e eletrônicos para comunicações.