Alguns supercondutores à base de ferro poderiam se beneficiar de um ajuste, de acordo com dois estudos de físicos e colaboradores da Rice University.

"Nosso trabalho demonstra um novo princípio de design para o ajuste de materiais quânticos para alcançar supercondutividade não convencional em temperaturas mais altas, "disse o Qimiao Si do arroz, o principal físico teórico dos estudos, que investigam padrões incomuns de supercondutividade que foram relatados anteriormente no seleneto de ferro.

"Mostramos como a nematicidade, um pedido eletrônico incomum, pode aumentar as chances de que a supercondutividade surja do emparelhamento de elétrons em orbitais específicos, "disse Si, diretor do Centro de arroz para materiais quânticos (RCQM) e o professor de física e astronomia Harry C. e Olga K. Wiess. "Ajustar materiais para aumentar esse efeito pode promover a supercondutividade em temperaturas mais altas."

A corrente elétrica aquece a fiação, graças ao empurrão de incontáveis ​​elétrons, que perdem energia cada vez que batem em algo. Cerca de 6 por cento da eletricidade nas redes de energia dos EUA é perdida com este aquecimento, ou resistência elétrica, cada ano. Em contraste, os elétrons em supercondutores formam pares que fluem sem esforço, sem resistência ou calor.

Os engenheiros há muito sonham em aproveitar a supercondutividade para uma computação com eficiência energética, redes de energia e muito mais, mas os elétrons são notórios solitários, o membro mais estudado de uma família quântica chamada férmions. Os férmions se opõem tanto a compartilhar o espaço uns com os outros que, em vez disso, costumam desaparecer temporariamente. Por causa de sua natureza quântica peculiar, persuadir elétrons a formar pares muitas vezes requer condições extremas, como pressão intensa ou temperaturas mais frias que o espaço profundo.

A supercondutividade não convencional - o tipo que ocorre em materiais como o seleneto de ferro - é diferente. Por razões que os físicos não podem explicar completamente, elétrons em supercondutores não convencionais formam pares em temperaturas relativamente altas. O comportamento foi documentado em dezenas de materiais nos últimos 40 anos. E embora o mecanismo exato permaneça um mistério, físicos como Si aprenderam a prever como os supercondutores não convencionais se comportarão em algumas situações.

Nos novos estudos, Si, Haoyu Hu, estudante de pós-graduação de Rice, e colaboradores usaram um modelo teórico de "emparelhamento orbital-seletivo" para explicar os resultados experimentais anteriores do seleneto de ferro e para prever como ele e outros materiais se comportarão em outras circunstâncias. A equipe incluiu Haoyu Hu, estudante de graduação na Rice University, Rong Yu, da Universidade Renmin da China, Emilian Nica da Arizona State University e Jian-Xin Zhu do Laboratório Nacional de Los Alamos. Em seu modelo, os elétrons em algumas camadas atômicas têm maior probabilidade de formar pares do que outras. Si disse que uma maneira de visualizar isso é pensar em orbitais atômicos como pistas em uma rodovia.

"Carros viajam em velocidades diferentes em pistas diferentes, "disse ele." Esperamos que aqueles na pista da esquerda se movam mais rápido, mas nem sempre é o caso. Quando muitos carros estão na rodovia, outras pistas podem se mover mais rápido. Os elétrons em supercondutores não convencionais são como os carros em uma rodovia lotada. Eles devem evitar um ao outro e podem ficar presos em uma pista. O ajuste para ordem eletrônica é uma forma de coaxiar elétrons em orbitais específicos, muito parecido com os cones das rodovias e barreiras que direcionam os carros para faixas específicas. "

Supercondutores de alta temperatura à base de ferro foram descobertos em 2008, e Si e colaboradores ofereceram uma das primeiras teorias para explicá-los:resfriá-los até a vizinhança de um ponto crítico quântico traz efeitos pronunciados de elétrons correlacionados, comportamentos que surgem e só podem ser compreendidos vendo os elétrons como um sistema coletivo, em vez de muitos objetos individuais.

Os novos jornais, que apareceu em Cartas de revisão física ( PRL ) e Revisão Física B ( PRB ), com base na pesquisa que Si conduziu com Yu e Nica durante seus estudos de pós-doutorado e graduação na Rice. Em 2013, Si e Yu mostraram que o comportamento seletivo orbital pode fazer com que os selenetos de ferro alcalino exibam simultaneamente as características conflitantes de metais e isolantes. Em 2017, Si, Nica e colegas mostraram que era possível que os selenetos de ferro tivessem um estado supercondutor no qual os pares de elétrons associados a um orbital de uma subcamada eram muito diferentes daqueles de um orbital intimamente relacionado na mesma subcamada.

"No presente trabalho, mostramos que uma ordem nemática aumenta drasticamente a seletividade orbital no estado normal em temperaturas acima da temperatura de transição supercondutora, "disse Yu, autor principal do PRL papel.

Em sistemas nemáticos, existe um grau mais alto de ordem em uma direção do que em outra. Em uma caixa de espaguete cru, por exemplo, o macarrão é alinhado longitudinalmente, mas desordenado se visto na direção perpendicular.

Para analisar a natureza da supercondutividade na presença da ordem eletrônica nemática, Yu, Si e seus colegas analisaram a "lacuna supercondutora, "uma medida que compara os custos de energia associados à separação de pares de elétrons na direção nemática e na direção perpendicular. Seus cálculos revelaram uma grande diferença.

"Nossos resultados fornecem uma compreensão natural de resultados muito surpreendentes que foram relatados recentemente com base em medições meticulosas da lacuna supercondutora no seleneto de ferro com microscopia de varredura por tunelamento, "disse Hu, o principal autor do PRB papel.

Si disse que o trabalho "lança luz sobre a interação entre o emparelhamento orbital seletivo e as ordens eletrônicas, que parecem ser ingredientes importantes para a supercondutividade não convencional em supercondutores à base de ferro e outros materiais quânticos fortemente correlacionados. "