Nos anos 1980, a descoberta de supercondutores de alta temperatura conhecidos como cuprates derrubou uma teoria amplamente aceita de que os materiais supercondutores carregam corrente elétrica sem resistência apenas em temperaturas muito baixas de cerca de 30 Kelvin (ou menos 406 graus Fahrenheit). Por décadas desde então, os pesquisadores ficaram perplexos com a capacidade de alguns cupratos de superconduzir a temperaturas de mais de 100 Kelvin (menos 280 graus Fahrenheit).

Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) revelaram uma pista sobre as propriedades incomuns dos cupratos - e a resposta está em uma fonte inesperada:o spin do elétron. O artigo que descreve a pesquisa por trás dessa descoberta foi publicado em 13 de dezembro no jornal Ciência .

Adicionando spin do elétron à equação

Cada elétron é como um pequeno ímã que aponta em uma determinada direção. E os elétrons dentro da maioria dos materiais supercondutores parecem seguir sua própria bússola interna. Em vez de apontar na mesma direção, seus elétrons giram ao acaso apontando para todas as direções - alguns para cima, alguns para baixo, outros à esquerda ou à direita.

Quando os cientistas estão desenvolvendo novos tipos de materiais, eles geralmente olham para o spin do elétron dos materiais, ou a direção para a qual os elétrons estão apontando. Mas quando se trata de fazer supercondutores, os físicos da matéria condensada não têm tradicionalmente focado no spin, porque a visão convencional era de que todas as propriedades que tornam esses materiais únicos foram moldadas apenas pela maneira como dois elétrons interagem entre si por meio do que é conhecido como "correlação de elétrons".

Mas quando uma equipe de pesquisa liderada por Alessandra Lanzara, um cientista da faculdade de Berkeley Lab's Materials Sciences Division e um Charles Kittel Professor de Física na UC Berkeley, usou um detector único para medir amostras de um supercondutor cuprato exótico, Bi-2212 (óxido de bismuto, estrôncio e cálcio, cobre), com uma técnica poderosa chamada SARPES (espectroscopia de fotoemissão resolvida por rotação e ângulo), eles descobriram algo que desafiava tudo que eles já sabiam sobre supercondutores:um padrão distinto de giros de elétrons dentro do material.

"Em outras palavras, descobrimos que havia uma direção bem definida em que cada elétron estava apontando dado seu momento, uma propriedade também conhecida como bloqueio de impulso de rotação, "disse Lanzara." Descobri-lo em supercondutores de alta temperatura foi uma grande surpresa. "

Um novo mapa para supercondutores de alta temperatura

No mundo dos supercondutores, "alta temperatura" significa que o material pode conduzir eletricidade sem resistência em temperaturas mais altas do que o esperado, mas ainda em temperaturas extremamente frias, muito abaixo de zero graus Fahrenheit. Isso porque os supercondutores precisam ser extraordinariamente frios para transportar eletricidade sem qualquer resistência. Nessas baixas temperaturas, elétrons são capazes de se mover em sincronia uns com os outros e não são atingidos por átomos em movimento, causando resistência elétrica.

E dentro desta classe especial de materiais supercondutores de alta temperatura, cuprates são alguns dos melhores executantes, levando alguns pesquisadores a acreditar que eles têm uso potencial como um novo material para a construção de fios elétricos supereficientes que podem transportar energia sem qualquer perda de momento do elétron, disse o co-autor principal Kenneth Gotlieb, que era um Ph.D. estudante no laboratório de Lanzara na época da descoberta. Entender o que faz com que alguns supercondutores de cuprato exóticos, como o Bi-2212, funcionem em temperaturas de até 133 Kelvin (cerca de -220 graus Fahrenheit), seria mais fácil realizar um dispositivo prático.

Entre os materiais muito exóticos que os físicos da matéria condensada estudam, existem dois tipos de interações de elétrons que dão origem a novas propriedades para novos materiais, incluindo supercondutores, disse Gotlieb. Os cientistas que estudaram supercondutores cupratos se concentraram em apenas uma dessas interações:a correlação de elétrons.

O outro tipo de interação eletrônica encontrada em materiais exóticos é o "acoplamento spin-órbita - a maneira pela qual o momento magnético do elétron interage com os átomos do material.

O acoplamento spin-órbita foi frequentemente negligenciado nos estudos de supercondutores de cuprato, porque muitos presumiram que esse tipo de interação de elétrons seria fraca quando comparada à correlação de elétrons, disse o co-autor Chiu-Yun Lin, um pesquisador na Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório e um Ph.D. estudante do Departamento de Física da UC Berkeley. Então, quando eles encontraram o padrão de rotação incomum, Lin disse que, embora eles tenham ficado agradavelmente surpresos com esta descoberta inicial, eles ainda não tinham certeza se era uma propriedade intrínseca "verdadeira" do material Bi-2212, ou um efeito externo causado pela forma como a luz do laser interagiu com o material no experimento.

Iluminando o spin do elétron com SARPES

Ao longo de quase três anos, Gotlieb e Lin usaram o detector SARPES para mapear completamente o padrão de rotação no laboratório de Lanzara. Quando eles precisaram de energias mais altas de fótons para excitar uma gama mais ampla de elétrons dentro de uma amostra, os pesquisadores moveram o detector ao lado do síncrotron do Berkeley Lab, a Fonte de Luz Avançada (ALS), um US DOE Office of Science User Facility especializado em energia mais baixa, luz de raios-X "suave" para estudar as propriedades dos materiais.

O detector SARPES foi desenvolvido por Lanzara, junto com os co-autores Zahid Hussain, o ex-adjunto da Divisão ALS, e Chris Jozwiak, um cientista da equipe de ALS. O detector permitiu aos cientistas sondar as principais propriedades eletrônicas dos elétrons, como a estrutura da banda de valência.

Depois de dezenas de experimentos no ALS, onde a equipe de pesquisadores conectou o detector SARPES ao Beamline 10.0.1 para que pudessem acessar esta luz poderosa para explorar o spin dos elétrons que se moviam com um momento muito maior através do supercondutor do que aqueles que eles poderiam acessar no laboratório, eles descobriram que o padrão distinto de spin do Bi-2212 - chamado de "spin diferente de zero - era um resultado verdadeiro, inspirando-os a fazer ainda mais perguntas. "Restam muitas questões não resolvidas no campo da supercondutividade de alta temperatura, "disse Lin." Nosso trabalho fornece novos conhecimentos para entender melhor os supercondutores de cuprato, que pode ser um alicerce para resolver essas questões. "

Lanzara acrescentou que a descoberta deles não poderia ter acontecido sem a "ciência da equipe" colaborativa do Berkeley Lab, um laboratório nacional do DOE com laços históricos com a vizinha UC Berkeley. "Este trabalho é um exemplo típico de onde a ciência pode chegar quando pessoas com experiência nas disciplinas científicas se reúnem, e como a nova instrumentação pode ultrapassar os limites da ciência, " ela disse.