Cuprates, uma classe de cerâmicas de óxido de cobre que compartilham um bloco de construção comum de átomos de cobre e oxigênio em uma estrutura quadrada plana, foram estudados por sua capacidade de serem supercondutores em temperaturas relativamente altas. Em seu estado primitivo, Contudo, eles são um tipo especial de isolante (um material que não conduz eletricidade prontamente) conhecido como isolador Mott.

Quando os portadores de carga elétrica - elétrons ou falta de elétrons, conhecidos como "buracos" - são adicionados a um isolante em um processo chamado dopagem, o isolador pode se tornar um metal, que conduz eletricidade prontamente, ou um semicondutor, que pode conduzir eletricidade dependendo do ambiente. Cuprates, Contudo, não se comportam como um isolante normal nem como um metal normal devido às fortes interações entre seus elétrons. Para evitar o grande custo de energia decorrente dessas interações, os elétrons se organizam espontaneamente em um estado coletivo onde o movimento de cada partícula está ligado a todas as outras.

Um exemplo é o estado supercondutor, onde os elétrons se movem em uníssono e derivam com fricção líquida zero quando um potencial é aplicado, um estado de resistência zero que é uma característica definidora de um supercondutor. Outro estado eletrônico coletivo é uma "onda de densidade de carga, "um termo cunhado a partir da modulação em forma de onda na densidade dos elétrons, em que os elétrons "congelam" em padrões periódicos e estáticos, ao mesmo tempo, dificultando o fluxo de elétrons. Este estado é antagônico ao estado supercondutor, e, Portanto, importante estudar e compreender. Em cuprates, as ondas de densidade de carga preferem se alinhar às fileiras atômicas de átomos de cobre e oxigênio que compõem a estrutura cristalina subjacente, com ondas "'cristas" ocorrendo a cada três a cinco células unitárias, dependendo do material e do nível de dopagem.

Usando uma técnica conhecida como espalhamento de raios-X ressonante para estudar essas ondas de densidade de carga em dois compostos de cuprato diferentes, óxido de cobre neodímio (Nd ₂ CuO ₄ ou NCO) e óxido de cobre praseodímio (Pr ₂ CuO ₄ ou PCO) dopado com elétrons extras, Os pesquisadores do MIT fizeram uma descoberta inesperada. O trabalho deles revelou uma fase do material onde os elétrons caem em uma desordem, ou "vítreo, "arranjo, apelidado de "vidro Wigner". Os resultados foram publicados recentemente em um artigo em Física da Natureza .

O espalhamento ressonante de raios-X é uma técnica de difração desenvolvida recentemente em que a cristalografia é realizada em elétrons, em vez de exclusivamente nos átomos, como na difração de raios-X convencional. “No limite de baixa concentração de elétrons dopados, observamos uma forma completamente nova e inesperada de fase eletrônica que não é um superfluido nem um cristal, mas, ao contrário, tem as características de um vidro Wigner. Nesta fase, os elétrons formam um estado coletivo sem qualquer preferência de orientação, "diz o autor sênior do jornal Riccardo Comin, professor assistente de física no MIT. Esse vidro amorfo de elétrons é completamente sem precedentes nesta família de materiais, ele adiciona.

Este fenômeno surge apenas em uma janela estreita de dopagem de elétrons. "Curiosamente, este novo estado exótico existe apenas em uma pequena região do diagrama de fase eletrônico deste material, e quando mais elétrons são dopados nos planos [óxido de cobre], um cristal eletrônico mais convencional é recuperado, cujas ondulações se alinham aos eixos cristalográficos da rede atômica subjacente, "Min Gu Kang, o autor principal do artigo, explica.

A equipe do MIT, consistindo em Comin, estudante de graduação Kang, e pós-doutorado Jonathan Pelliciari, desenhou o projeto e conduziu a maioria dos experimentos. Sua pesquisa foi possível graças às contribuições de pesquisadores em várias instituições e instalações em todo o mundo. As medições de espalhamento de raios-X ressonantes foram realizadas em várias instalações de síncrotron, incluindo o anel de armazenamento de elétrons de Berlim na Alemanha, a fonte de luz canadense em Saskatoon, Saskatchewan, Canadá, e a fonte de luz avançada, em Berkeley, Califórnia. As amostras de filme fino de óxido de cobre foram cultivadas nos Laboratórios de Pesquisa Básica da NTT no Japão. A análise teórica foi desenvolvida por pesquisadores do Instituto Indiano de Ciência na Índia.

Comin observa que a teoria proposta explica o papel da estrutura de banda eletrônica em governar o espaçamento periódico e a falta de preferência orientacional das ondas de densidade em função do nível de dopagem neste material. "Nossa teoria sugere que essas ondulações eletrônicas são inicialmente formadas com formas irregulares e são provavelmente nucleadas em torno de defeitos ou impurezas no material, "Comin diz." Quando a densidade de portadores aumenta, os elétrons conseguem encontrar um arranjo mais altamente ordenado que minimiza a energia total do sistema, restaurando assim as ondas de densidade de carga mais convencionais que foram observadas universalmente em todas as famílias de supercondutores de óxido de cobre. "

"Fiquei completamente maravilhado com os resultados de Riccardo no NCO e no PCO, "diz Peter Abbamonte, Fox Family Professor de Engenharia da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, que desenvolveu a técnica de espalhamento de raios-X ressonante suave. Observando que a ordem da onda de densidade de carga (CDW) em cupratos tem estado no centro do campo por mais de uma década, Abbamonte, que não estava envolvido nesta pesquisa, explica que o entendimento anterior era de que a ordem do CDW é fixada na estrutura do cristal, o que significa que a onda de densidade de carga deve apontar em qualquer uma das duas direções perpendiculares, mas em nenhum lugar no meio. Esta sabedoria convencional é construída em duas décadas de espalhamento ressonante e experimentos de microscopia de tunelamento de varredura que sempre descobriram que este é o caso, ele observa.

A pesquisa de Comin sobre esses cupratos dopados com elétrons em particular mostrou que, durante a fase vítrea, a ordem de carga pode apontar em qualquer direção, independente da estrutura cristalina em que vive. "A declaração mais precisa é que o parâmetro de ordem CDW não é semelhante a Ising (ou seja, tomando apenas valores discretos, neste caso, dois:x ou y), como sempre foi assumido, mas é mais como um parâmetro de ordem X-Y (ou seja, livre para escolher qualquer valor em uma faixa contínua, como todas as direções entre x e y, como é o caso aqui) que é apenas fracamente influenciado pelo cristal, "Abbamonte diz.

"Vai levar algum tempo para a comunidade digerir totalmente esta percepção e suas implicações para a compreensão da relevância do pedido de CDW, Abbamonte acrescenta. “O que está claro é que o artigo de Riccardo vai levar a uma séria reavaliação das regras do jogo, e nesse sentido é um grande avanço para a área. "

Supercondutores têm uma imensa, potencial amplamente inexplorado para aplicações transformadoras, como computação quântica, transporte de energia sem perdas, sensoriamento magnético e imagens de diagnóstico médico, e tecnologias de energia de fusão nuclear e plasma.

"Geral, nosso estudo revelou ainda outra manifestação do caráter quântico requintado de portadores de carga em supercondutores de alta temperatura, que em última análise surge da natureza das interações eletrônicas, "Comin diz." O comportamento detalhado dos elétrons descobertos neste trabalho fornece novos insights sobre como a supercondutividade de alta temperatura nasce de um isolador de Mott, e promete preencher uma lacuna entre as regiões do diagrama de fase com fenomenologias muito contrastantes. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.