Um dos maiores mistérios da física da matéria condensada é a relação exata entre a ordem de carga e a supercondutividade em supercondutores cupratos. Em supercondutores, os elétrons se movem livremente pelo material - a resistência é zero quando ele é resfriado abaixo de sua temperatura crítica. Contudo, os cupratos exibem simultaneamente supercondutividade e ordem de carga em padrões de faixas alternadas. Isso é paradoxal, pois a ordem de carga descreve áreas de elétrons confinados. Como a supercondutividade e a ordem de carga podem coexistir?

Agora, pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, colaborando com cientistas do SLAC National Accelerator Laboratory, lançaram uma nova luz sobre como esses estados díspares podem existir adjacentes uns aos outros. Pesquisador de pós-doutorado em Física de Illinois, Matteo Mitrano, Professor Peter Abbamonte, e sua equipe aplicou uma nova técnica de espalhamento de raios-X, espalhamento ressonante de raios-X suave resolvido no tempo, aproveitando o equipamento de última geração do SLAC. Este método permitiu aos cientistas sondar a fase de ordem de carga distribuída com uma resolução de energia sem precedentes. Esta é a primeira vez que isso foi feito em uma escala de energia relevante para a supercondutividade.

Os cientistas mediram as flutuações de ordem de carga em um supercondutor de óxido de cobre prototípico, La _2-x BA _x CuO ₄ (LBCO) e descobriu que as flutuações tinham uma energia que combinava com a temperatura crítica supercondutora do material, implicando que a supercondutividade neste material - e por extrapolação, nos cupratos - pode ser mediado por flutuações de ordem de carga.

Os pesquisadores demonstraram ainda que, se a ordem de cobrança derreter, os elétrons no sistema reformarão as áreas listradas da ordem de carga em dezenas de picossegundos. Acontece que este processo obedece a uma lei de escala universal. Para entender o que eles estavam vendo em seu experimento, Mitrano e Abbamonte procuraram o professor de física de Illinois, Nigel Goldenfeld, e seu aluno de graduação Minhui Zhu, que foram capazes de aplicar métodos teóricos emprestados da física da matéria condensada suave para descrever a formação dos padrões listrados.

Essas descobertas foram publicadas em 16 de agosto, 2019, no jornal online Avanços da Ciência .

Cupratos têm listras

O significado deste mistério pode ser compreendido no contexto da pesquisa em supercondutores de alta temperatura (HTS), especificamente os cupratos - materiais em camadas que contêm complexos de cobre. Os cuprates, alguns dos primeiros HTS descobertos, têm temperaturas críticas significativamente mais altas do que os supercondutores "comuns" (por exemplo, supercondutores de alumínio e chumbo têm uma temperatura crítica abaixo de 10 K). Nos anos 1980, LBCO, um cuprate, foi encontrado para ter uma temperatura crítica supercondutora de 35 K (-396 ° F), uma descoberta pela qual Bednorz e Müller ganharam o Prêmio Nobel.

Essa descoberta precipitou uma enxurrada de pesquisas sobre os cuprates. Em tempo, os cientistas encontraram evidências experimentais de falta de homogeneidade no LBCO e em materiais semelhantes:fases isolantes e metálicas que coexistiam. Em 1998, Eduardo Fradkin, Professor de Física de Illinois, Steven Kivelson, professor de Stanford, e outros propuseram que os isoladores de Mott - materiais que deveriam conduzir sob a teoria de bandas convencional, mas isolar devido à repulsão entre elétrons - são capazes de hospedar listras de ordem de carga e supercondutividade. La ₂ CuO ₄ , o composto original de LBCO, é um exemplo de isolador Mott. À medida que Ba é adicionado a esse composto, substituindo alguns átomos de La, listras se formam devido à organização espontânea de buracos - espaços vazios de elétrons que agem como cargas positivas.

Ainda, outras questões sobre o comportamento das listras permaneceram. As áreas de ordem de cobrança estão imóveis? Eles flutuam?

"A crença convencional é que se você adicionar esses orifícios dopados, eles adicionam uma fase estática que é ruim para a supercondutividade - você congela os buracos, e o material não pode transportar eletricidade, "Mitrano comenta." Se eles são dinâmicos - se eles flutuam - então existem maneiras pelas quais os orifícios podem ajudar na supercondutividade de alta temperatura. "

Sondando as flutuações em LBCO

Para entender o que exatamente as listras estão fazendo, Mitrano e Abbamonte conceberam um experimento para derreter a ordem de carga e observar o processo de sua reforma no LBCO. Mitrano e Abbamonte reimaginaram uma técnica de medição chamada espalhamento inelástico de raios-X ressonante, adicionar um protocolo dependente do tempo para observar como a ordem de cobrança se recupera ao longo de 40 picossegundos. A equipe disparou um laser na amostra LBCO, transmitir energia extra aos elétrons para derreter a ordem de carga e introduzir homogeneidade eletrônica.

"Usamos um novo tipo de espectrômetro desenvolvido para fontes ultrarrápidas, porque estamos fazendo experimentos em que nossos pulsos de laser são extremamente curtos, "Mitrano explica." Realizamos nossas medições na Linac Coherent Light Source no SLAC, um carro-chefe neste campo de investigação. Nossas medições são duas ordens de magnitude mais sensíveis em energia do que o que pode ser feito em qualquer outra instalação de espalhamento convencional. "

Abbamonte acrescenta, "O que é inovador aqui é usar a dispersão no domínio do tempo para estudar excitações coletivas na escala de energia sub-meV. Esta técnica foi demonstrada anteriormente para fônons. Aqui, mostramos que a mesma abordagem pode ser aplicada a excitações na banda de valência. "

Dicas de um mecanismo para supercondutividade

O primeiro resultado significativo deste experimento é que a ordem de cobrança de fato flutua, movendo-se com uma energia que quase corresponde à energia estabelecida pela temperatura crítica de LBCO. Isso sugere que o acoplamento de Josephson pode ser crucial para a supercondutividade.

A ideia por trás do efeito Josephson, descoberto por Brian Josephson em 1962, é que dois supercondutores podem ser conectados por meio de um elo fraco, normalmente um isolante ou um metal normal. Neste tipo de sistema, elétrons supercondutores podem vazar dos dois supercondutores para o elo mais fraco, gerando dentro dele uma corrente de elétrons supercondutores.

O acoplamento Josephson fornece uma possível explicação para o acoplamento entre a supercondutividade e as regiões listradas da ordem de carga, em que as listras flutuam de modo que a supercondutividade vaza para as áreas de ordem de carga, os elos fracos.

Obedecendo às leis universais de escala de formação de padrões

Depois de derreter o pedido de carga, Mitrano e Abbamonte mediram a recuperação das listras à medida que evoluíam no tempo. Conforme o pedido de cobrança se aproximava de sua recuperação total, seguiu uma dependência de tempo inesperada. Este resultado não foi nada parecido com o que os pesquisadores haviam encontrado no passado. O que poderia explicar isso?

A resposta é emprestada do campo da física da matéria condensada mole, e, mais especificamente, a partir de uma teoria da lei de escala que Goldenfeld desenvolveu duas décadas antes para descrever a formação de padrões em líquidos e polímeros. Goldenfeld e Zhu demonstraram que as listras em LBCO se recuperam de acordo com um universal, dinâmico, lei de escala auto-similar.

Goldenfeld explica, "Em meados da década de 1990, os cientistas tinham uma compreensão de como os sistemas uniformes se aproximam do equilíbrio, mas e os sistemas de stripe? Eu trabalhei nesta questão cerca de 20 anos atrás, olhando para os padrões que surgem quando um fluido é aquecido por baixo, como os pontos hexagonais de circulação, manchas brancas emergentes na sopa quente de missô. Em algumas circunstâncias, esses sistemas formam faixas de fluido circulante, não manchas, análogo aos padrões de faixa de elétrons nos supercondutores de cuprato. E quando o padrão está se formando, segue uma lei de escala universal. Isso é exatamente o que vemos no LBCO à medida que ele reforma sua ordem de listras. "

Por meio de seus cálculos, Goldenfeld e Zhu foram capazes de elucidar o processo de reforma do padrão dependente do tempo no experimento de Mitrano e Abbamonte. As listras se reformam com uma dependência logarítmica do tempo - um processo muito lento. A adesão à lei de escalonamento em LBCO implica ainda que ele contém defeitos topológicos, ou irregularidades em sua estrutura de rede. Este é o segundo resultado significativo desta experiência.

Comentários de Zhu, "Foi emocionante fazer parte desta pesquisa colaborativa, trabalhando com físicos de estado sólido, mas aplicando técnicas de matéria condensada suave para analisar um problema em um sistema fortemente correlacionado, como supercondutividade de alta temperatura. Eu não só contribuí com meus cálculos, mas também adquiri novos conhecimentos de meus colegas com experiências diferentes, e, desta forma, ganhou novas perspectivas sobre os problemas físicos, bem como novas formas de pensamento científico. "

Em pesquisas futuras, Mitrano, Abbamonte, e Goldenfeld planejam sondar ainda mais a física das flutuações de ordem de carga com o objetivo de derreter completamente a ordem de carga em LBCO para observar a física da formação de faixas. Eles também planejam experiências semelhantes com outros cupratos, incluindo compostos de óxido de cobre e ítrio, bário, mais conhecido como YBCO.

Goldenfeld vê este e os experimentos futuros como aqueles que poderiam catalisar novas pesquisas em HTS:"O que aprendemos nos 20 anos desde o trabalho de Eduardo Fradkin e Steven Kivelson sobre a modulação periódica de carga é que devemos pensar no HTS como cristais líquidos eletrônicos, "Ele afirma." Estamos agora começando a aplicar a física da matéria condensada mole dos cristais líquidos ao HTS para entender por que a fase supercondutora existe nesses materiais. "