Camadas de óxido de cobre de LBCO (as camadas de lantânio-bário estariam entre elas). A supercondutividade 3-D ocorre quando a corrente pode fluir livremente em qualquer direção dentro e entre as camadas de óxido de cobre, enquanto a supercondutividade 2-D existe quando a corrente se move livremente apenas dentro das camadas (não perpendicular). As orientações perpendiculares dos padrões de listras de uma camada para a outra podem ser parte do que inibe o movimento da corrente entre as camadas. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Cientistas que buscam entender o mecanismo subjacente à supercondutividade em cupratos "ordenados por faixas" - materiais de óxido de cobre com áreas alternadas de carga elétrica e magnetismo - descobriram um estado metálico incomum ao tentar desligar a supercondutividade. Eles descobriram que, nas condições de seu experimento, mesmo depois que o material perde sua capacidade de transportar corrente elétrica sem perda de energia, ele retém alguma condutividade - e possivelmente os pares de elétrons (ou lacunas) necessários para sua superpotência supercondutora.
"Este trabalho fornece evidências circunstanciais de que o arranjo ordenado por faixa de cargas e magnetismo é bom para formar os pares de portadores de carga necessários para o surgimento da supercondutividade, "disse John Tranquada, um físico do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA.
Tranquada e seus co-autores do Brookhaven Lab e do National High Magnetic Field Laboratory da Florida State University, onde parte do trabalho foi feito, descrever suas descobertas em um artigo publicado recentemente em Avanços da Ciência . Um artigo relacionado no Proceedings of the National Academy of Sciences pelo co-autor Alexei Tsvelik, um teórico do Brookhaven Lab, fornece insights sobre os fundamentos teóricos para as observações.
Os cientistas estavam estudando uma formulação específica de óxido de cobre e bário lantânio (LBCO) que exibe uma forma incomum de supercondutividade a uma temperatura de 40 Kelvin (-233 graus Celsius). Isso é relativamente quente no reino dos supercondutores. Supercondutores convencionais devem ser resfriados com hélio líquido a temperaturas próximas a -273 ° C (0 Kelvin ou zero absoluto) para transportar corrente sem perda de energia. Compreender o mecanismo por trás dessa supercondutividade de "alta temperatura" pode guiar a descoberta ou o projeto estratégico de supercondutores que operam em temperaturas mais altas.
"Em princípio, tais supercondutores poderiam melhorar a infraestrutura de energia elétrica com linhas de transmissão de energia com perda zero de energia, "Tranquada disse, "ou ser usado em eletroímãs poderosos para aplicações como imagem de ressonância magnética (MRI) sem a necessidade de resfriamento caro."
O mistério da alta Tc
LBCO foi o primeiro supercondutor de alta temperatura (alto-Tc) descoberto, cerca de 33 anos atrás. É constituído por camadas de óxido de cobre separadas por camadas compostas por lantânio e bário. O bário contribui com menos elétrons do que o lantânio para as camadas de óxido de cobre, então, em uma proporção particular, o desequilíbrio deixa espaços vazios de elétrons, conhecidos como buracos, nos planos cuprate. Esses buracos podem atuar como portadores de carga e emparelhar, assim como elétrons, e em temperaturas abaixo de 30K, a corrente pode se mover através do material sem resistência em três dimensões - tanto dentro quanto entre as camadas.
Uma característica estranha deste material é que, nas camadas de óxido de cobre, na concentração particular de bário, os orifícios segregam em "faixas" que se alternam com áreas de alinhamento magnético. Desde esta descoberta, em 1995, Tem havido muito debate sobre o papel que essas listras desempenham na indução ou inibição da supercondutividade.
Em 2007, Tranquada e sua equipe descobriram a forma mais incomum de supercondutividade neste material na temperatura mais alta de 40K. Se eles alterassem a quantidade de bário para ficar um pouco abaixo da quantidade que permitia a supercondutividade 3-D, eles observaram supercondutividade 2-D - significando apenas dentro das camadas de óxido de cobre, mas não entre elas.
"As camadas supercondutoras parecem se desacoplar umas das outras, "Tsvelik, o teórico, disse. A corrente ainda pode fluir sem perda em qualquer direção dentro das camadas, mas há resistividade na direção perpendicular às camadas. Esta observação foi interpretada como um sinal de que pares de portadores de carga estavam formando "ondas de densidade de pares" com orientações perpendiculares entre si nas camadas vizinhas. "É por isso que os pares não podem pular de uma camada para outra. Seria como tentar se mesclar com o tráfego que se move em uma direção perpendicular. Eles não podem se fundir, "Tsvelik disse.
Listras supercondutoras são difíceis de matar
No novo experimento, os cientistas mergulharam mais fundo na exploração das origens da supercondutividade incomum na formulação especial do LBCO, tentando destruí-lo. "Muitas vezes testamos coisas levando-as ao fracasso, “Disse Tranquada. O método de destruição deles era expor o material a poderosos campos magnéticos gerados no estado da Flórida.
Um diagrama de fase de LBCO em diferentes temperaturas e intensidades de campo magnético. As cores representam a resistência do material ao fluxo de corrente elétrica, com o roxo sendo um supercondutor sem resistência. Quando resfriado a quase zero absoluto, sem campo magnético, o material atua como um supercondutor 3-D. Conforme a intensidade do campo magnético aumenta, A supercondutividade 3-D desaparece, mas a supercondutividade 2-D reaparece em maior intensidade de campo, em seguida, desaparece novamente. Nos campos mais altos, a resistência cresceu, mas o material reteve alguma condutividade metálica incomum, que os cientistas interpretaram como uma indicação de que os pares de portadores de carga podem persistir mesmo depois que a supercondutividade é destruída. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
"À medida que o campo externo fica maior, a corrente no supercondutor fica cada vez maior para tentar cancelar o campo magnético, "Tranquada explicou." Mas há um limite para a corrente que pode fluir sem resistência. Encontrar esse limite deve nos dizer algo sobre o quão forte é o supercondutor. "
Por exemplo, se as listras de ordem de carga e magnetismo em LBCO são ruins para a supercondutividade, um modesto campo magnético deve destruí-lo. "Pensamos que talvez a carga congelaria nas listras para que o material se tornasse um isolante, "Tranquada disse.
Mas a supercondutividade acabou sendo muito mais robusta.
Usando cristais perfeitos de LBCO cultivados pela física de Brookhaven Genda Gu, Yangmu Li, um pós-doutorado que trabalha no laboratório de Tranquada, fez medições da resistência e condutividade do material sob várias condições no National High Magnetic Field Laboratory. A uma temperatura logo acima do zero absoluto, sem campo magnético presente, o material exibido completo, Supercondutividade 3-D. Mantendo a temperatura constante, os cientistas tiveram que aumentar significativamente o campo magnético externo para fazer a supercondutividade 3-D desaparecer. Ainda mais surpreendente, quando eles aumentaram a intensidade do campo ainda mais, a resistência dentro dos planos de óxido de cobre caiu para zero novamente!
"Vimos a mesma supercondutividade 2-D que descobrimos em 40K, "Tranquada disse.
Aumentar o campo destruiu ainda mais a supercondutividade 2-D, mas nunca destruiu completamente a capacidade do material de transportar corrente normal.
"A resistência cresceu, mas depois se estabilizou, "Tranquada notou.
Sinais de pares persistentes?
Medições adicionais feitas sob o campo magnético mais alto indicaram que os portadores de carga no material, embora não seja mais supercondutor, ainda podem existir como pares, Disse Tranquada.
“O material se torna um metal que não mais desvia o fluxo da corrente, "Tsvelik disse." Sempre que você tem uma corrente em um campo magnético, você esperaria alguma deflexão das cargas - elétrons ou buracos - na direção perpendicular à corrente [o que os cientistas chamam de efeito Hall]. Mas não é isso que acontece. Não há deflexão. "
Em outras palavras, mesmo depois que a supercondutividade é destruída, o material guarda uma das assinaturas-chave da "onda de densidade de par" característica do estado supercondutor.
"Minha teoria relaciona a presença de listras ricas em carga com a existência de momentos magnéticos entre elas para a formação do estado de onda de densidade de par, "Tsvelik disse." A observação da deflexão sem carga em alto campo mostra que o campo magnético pode destruir a coerência necessária para a supercondutividade sem necessariamente destruir a onda de densidade de par. "
"Juntas, essas observações fornecem evidências adicionais de que as listras são boas para o emparelhamento, "Tranquada disse." Vemos a supercondutividade 2-D reaparecer em campo alto e então, em um campo ainda mais alto, quando perdemos a supercondutividade 2-D, o material não se torna apenas um isolante. Ainda há alguma corrente fluindo. Podemos ter perdido o movimento coerente dos pares entre as listras, mas ainda podemos ter pares dentro das listras que podem se mover de forma incoerente e nos dar um comportamento metálico incomum. "
