Descoberto há mais de 100 anos, a supercondutividade continua a cativar cientistas que buscam desenvolver componentes para transmissão de energia altamente eficiente, eletrônica ultrarrápida ou bits quânticos para computação de próxima geração. Contudo, determinar o que faz com que as substâncias se tornem - ou deixem de ser - supercondutores continua sendo uma questão central para encontrar novos candidatos para essa classe especial de materiais.

Em supercondutores em potencial, pode haver várias maneiras de os elétrons se organizarem. Alguns deles reforçam o efeito supercondutor, enquanto outros o inibem. Em um novo estudo, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) explicaram as maneiras pelas quais dois desses arranjos competem entre si e, em última análise, afetam a temperatura na qual um material se torna supercondutor.

No estado supercondutor, elétrons se juntam nos chamados pares de Cooper, em que o movimento dos elétrons é correlacionado; a cada momento, as velocidades dos elétrons que participam de um determinado par são opostas. Em última análise, o movimento de todos os elétrons é acoplado - nenhum elétron pode fazer suas próprias coisas - o que leva ao fluxo de eletricidade sem perdas:a supercondutividade.

Geralmente, quanto mais fortemente os pares se acoplam e maior o número de elétrons que participam, quanto mais alta será a temperatura de transição supercondutora.

Os materiais que são supercondutores potenciais de alta temperatura não são elementos simples, mas são compostos complexos que contêm muitos elementos. Acontece que, além da supercondutividade, elétrons podem apresentar propriedades diferentes em baixas temperaturas, incluindo magnetismo ou ordem de onda de densidade de carga. Em uma onda de densidade de carga, os elétrons formam um padrão periódico de alta e baixa concentração dentro do material. Os elétrons que estão ligados na onda de densidade de carga não participam da supercondutividade, e os dois fenômenos competem.

"Se você remover alguns elétrons para colocar em uma onda de densidade de carga, a força do seu efeito supercondutor diminuirá, "disse o cientista de materiais da Argonne, Ulrich Welp, um autor correspondente do estudo.

O trabalho da equipe de Argonne é baseado na constatação de que a ordem de onda da densidade de carga e a supercondutividade são afetadas de forma diferente por imperfeições no material. Ao introduzir a desordem, os pesquisadores suprimiram uma onda de densidade de carga, interrompendo o padrão de onda de densidade de carga periódica, tendo apenas um pequeno efeito na supercondutividade. Isso abre uma maneira de ajustar o equilíbrio entre a ordem de onda de densidade de carga competitiva e a supercondutividade.

Para introduzir desordem de tal forma que prejudique o estado da onda de densidade de carga, mas deixou o estado supercondutor praticamente intacto, os pesquisadores usaram irradiação de partículas. Ao atingir o material com um feixe de prótons, os pesquisadores eliminaram alguns átomos, alterando a estrutura eletrônica geral, mantendo a composição química do material intacta.

Para obter uma imagem do destino das ondas de densidade de carga, pesquisadores utilizaram espalhamento de raios-X de última geração na fonte avançada de fótons de Argonne (APS), um DOE Office of Science User Facility, e a fonte síncrotron de alta energia Cornell. "O espalhamento de raios X foi essencial para observar as sutilezas dessa ordem eletrônica no material, "disse o físico de Argonne e autor do estudo Zahir Islam." Descobrimos que uma concentração diluída de átomos desordenados realmente diminuiu a onda de densidade de carga para aumentar a supercondutividade. "

De acordo com o Islã, enquanto o brilho atual do APS permitiu estudos sistemáticos de ondas de densidade de carga de pequenas amostras de cristal único, apesar de sua força de espalhamento relativamente fraca, a próxima atualização planejada para a instalação proporcionará aos pesquisadores a maior sensibilidade para observar esses fenômenos. Além disso, ele disse, os cientistas se beneficiarão com o estudo desses materiais em ambientes extremos, em particular, sob campos magnéticos elevados para inclinar a balança a favor de ondas de densidade de carga para obter os insights necessários sobre a supercondutividade de alta temperatura.

Na pesquisa, os cientistas investigaram um material chamado óxido de cobre e bário lantânio (LBCO). Neste material, a temperatura supercondutora despencou quase a zero absoluto (-273 graus Celsius) quando o material atingiu uma certa composição química. Contudo, para composições intimamente relacionadas, a temperatura de transição permaneceu relativamente alta. Os cientistas acreditam que este efeito da supercondutividade de resfriamento é devido à presença de ondas de densidade de carga e que suprimir a onda de densidade de carga poderia induzir temperaturas de transição ainda mais altas.

Com ondas de densidade de carga prejudicadas pela desordem, a supercondutividade colhe o benefício, Wai-Kwong Kwok, Argonne Distinguished Fellow e autor do estudo, explicado. "Da perspectiva do supercondutor, o inimigo do meu inimigo é realmente meu amigo, " ele disse.

Um artigo baseado no estudo, "A desordem aumenta a temperatura crítica de um supercondutor cuprato, "apareceu na edição online de 13 de maio da Proceedings of the National Academy of Sciences .