No campo da supercondutividade - a capacidade de um material de conduzir eletricidade com resistência virtualmente zero - os chamados supercondutores de alta temperatura (HTSCs) são possíveis candidatos para uma nova geração de tecnologias avançadas. Um subconjunto destes, os "cuprates, "que são materiais cristalinos baseados em planos de óxido de cobre, são particularmente promissores. Mas os cientistas ainda precisam aprender muito mais sobre esses materiais antes do mainstream, aplicações à temperatura ambiente são possíveis. Atualmente, mesmo os supercondutores de "alta temperatura" devem ser resfriados a muito, temperaturas muito baixas para os padrões diários.

Trabalhando no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), pesquisadores de Brookhaven e University College London descobriram recentemente algo novo e muito surpreendente sobre um tipo de arranjo de carga elétrica periódica, que coexiste com a supercondutividade em cupratos, conhecido como onda de densidade de carga (CDW). Eles descobriram que o pedido específico do CDW em sua amostra foi "lembrado" quando a amostra foi repetidamente aquecida além da temperatura em que o CDW desaparece. Essa descoberta abre uma nova avenida de pesquisa sobre como esses materiais intrigantes funcionam, trazendo os cientistas um passo mais perto de uma imagem completa do comportamento eletrônico em cuprates.

"Seria como derreter uma pilha de cubos de gelo e, em seguida, congelá-los novamente - e descobrir que eles congelaram novamente em uma pilha idêntica de cubos, mesmo no nível microscópico, "explicou o físico do Brookhaven Lab Claudio Mazzoli, um dos pesquisadores envolvidos no estudo. "Ninguém esperaria ver isso."

Mazzoli e seus co-pesquisadores descrevem seu trabalho no dia 29 de março, Edição online de 2019 da Nature Communications.

O comportamento eletrônico dos cuprates, como com todos os HTSCs, é bastante complexo. Como o nome implica, os elétrons que compõem um CDW formam um padrão de onda estacionária periódica. Os CDWs foram observados em quase todos os cupratos, mas seu papel na supercondutividade ainda não é totalmente compreendido. Eles competem com a supercondutividade? Eles participam disso? Eles impedem a supercondutividade de certas maneiras e possivelmente aumentam em outras? Os cientistas ainda estão trabalhando nisso.

"Nos HTSCs, qualquer arranjo de elétrons é do interesse dos pesquisadores, "disse o físico de Brookhaven Mark Dean, outro dos autores do artigo. "O objetivo é investigar esses arranjos e ajustá-los - ou talvez removê-los - para que a temperatura de transição supercondutora do material possa se aproximar, ou talvez superar, temperatura do quarto. Para fazer isso, devemos aprender o máximo que pudermos sobre o comportamento dos elétrons e suas estruturas em HTSCs. "

Uma coisa que os pesquisadores sabem é que os cupratos contendo os mesmos planos de óxido de cobre - mas dispostos de uma maneira ligeiramente diferente - podem ter CDWs com propriedades dramaticamente diferentes. Parece, então, que a parte da rede cristalina que hospeda o CDW tem um efeito sobre o CDW.

Aqui, o grupo decidiu aprender mais sobre a relação entre a estrutura de rede do material e o comportamento do CDW. Seu sistema modelo era um cuprato conhecido como LBCO para os compostos que contém:lantânio, bário, cobre, e oxigênio. LBCO tem uma temperatura de transição - a temperatura abaixo da qual exibe o CDW, e acima do qual não - de 54 graus Kelvin (K) (embora equivalente a cerca de -360 graus Fahrenheit, esta temperatura ainda é relativamente alta no mundo supercondutor).

O grupo queria descobrir como as imperfeições na estrutura do cristal LBCO podem estabilizar o CDW. Eles estavam interessados ​​em uma distorção de rede bem conhecida que ocorre no material:uma inclinação na forma octaédrica formada por átomos de cobre e oxigênio ligados. Essa inclinação tende a ancorar o CDW à rede de modo que ele se oriente em uma determinada direção; parece que o CDW pode ser sensível às inomogeneidades espaciais, ou domínios, da rede. Essa relação entre o CDW e os domínios, como sugerido pelo comportamento da temperatura descoberto neste estudo, pode ser exclusivo para LBCO. Será muito importante entender se esta é uma característica geral dos cupratos.

O grupo alternou sua amostra de LBCO por uma gama de temperaturas, aquecendo e resfriando repetidamente, ao sondá-lo com raios-X na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II de Brookhaven (NSLS-II), um DOE Office of Science User Facility. Na linha de luz Coherent Soft Ray Scattering (CSX), eles usaram uma técnica conhecida como difração de raios-X ressonante coerente, em que os raios-X se espalham de diferentes domínios no arranjo espacial CDW, interferem uns com os outros, e formar um padrão de "manchas" que é capturado por uma câmera especial. A análise desse padrão produz informações sobre os recursos do CDW.

Esta tarefa - observar diretamente um CDW enquanto rastreia suas alterações, em uma faixa de temperaturas - é coletivamente muito desafiador, em grande parte devido às distâncias muito curtas que caracterizam as características de um CDW. NSLS-II é o único adequado para este tipo de investigação devido à natureza coerente da luz que produz, o que significa que as ondas de luz viajam em uníssono ao invés de fora de sincronia e confusas. Fontes de luz mais antigas não têm esses feixes altamente coerentes.

A análise de manchas revelou que a ordem específica de CDW presente abaixo de 54 K retornou mesmo quando a amostra foi repetidamente ciclada por temperaturas muito mais altas, até cerca de 240 K (cerca de -28 ° F). Os pesquisadores acham que as mudanças estruturais que ocorrem no cristal abaixo de 240 K criam uma "paisagem de fixação" que ancora o CDW à rede.

"Nosso trabalho abre uma nova rota para estudar a complexa interação entre a carga e os graus de liberdade da rede em cupratos supercondutores, "disse o autor principal do jornal, Xiaoqian Chen, uma pesquisadora do Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais de Brookhaven na época em que este estudo foi realizado (ela agora está trabalhando no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley). "É também uma grande demonstração de como o NSLS-II pode ser usado para estudar as fases quânticas dos materiais e suas espetaculares, propriedades inesperadas. "

"Este resultado enfatiza a importância vital do papel dos domínios em nanoescala na supercondutividade de alta temperatura. Sem os efeitos de fixação de domínio que foram observados, o CDW pode transportar corrente e interromper ainda mais a supercondutividade, "adicionou o co-autor Ian Robinson, um físico em Brookhaven e também na University College London. "A imagem dessas estruturas sutis de domínio da 'fase' ainda está em sua infância e este trabalho destaca a necessidade de desenvolver melhores técnicas de imagem para que os detalhes estruturais possam ser vistos diretamente."