Uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Universidade de Princeton observou diretamente um efeito quântico surpreendente em um supercondutor contendo ferro em alta temperatura.

Supercondutores conduzem eletricidade sem resistência, tornando-os valiosos para a transmissão de eletricidade de longa distância e muitas outras aplicações de economia de energia. Supercondutores convencionais operam apenas em temperaturas extremamente baixas, mas certos materiais à base de ferro descobertos há cerca de uma década podem superconduzir em temperaturas relativamente altas e chamaram a atenção de pesquisadores.

Exatamente como a supercondutividade se forma em materiais à base de ferro é um mistério, especialmente porque o magnetismo do ferro parece entrar em conflito com o surgimento da supercondutividade. Uma compreensão mais profunda de materiais não convencionais, como supercondutores à base de ferro, pode levar eventualmente a novas aplicações para tecnologias de economia de energia de próxima geração.

Os pesquisadores investigaram o comportamento de supercondutores à base de ferro quando impurezas - principalmente átomos de cobalto - são adicionadas para explorar como a supercondutividade se forma e se dissipa. Suas descobertas levaram a novos insights sobre uma teoria de 60 anos de como a supercondutividade se comporta. O estudo foi publicado na revista Cartas de revisão física esta semana.

Adicionar impurezas é uma maneira útil de aprender sobre o comportamento dos supercondutores, disse M. Zahid Hasan, o professor de física Eugene Higgins da Universidade de Princeton, que liderou a equipe de pesquisa. "É como a forma como investigamos o comportamento das ondas da água no lago, jogando uma pedra, "disse ele." A maneira como as propriedades supercondutoras reagem à impureza revela seus segredos com detalhes de nível quântico. "

Uma ideia de longa data conhecida como teorema de Anderson prevê que, embora a adição de impurezas possa introduzir desordem em um supercondutor, em muitos casos, não vai destruir a supercondutividade. O teorema foi apresentado em 1959 pelo físico ganhador do Prêmio Nobel Philip Anderson, Joseph Henry, Professor de Física de Princeton, Emérito. Mas sempre há exceções à regra.

O cobalto parece ser uma dessas exceções. Ao contrário da teoria, a adição de cobalto força o supercondutor à base de ferro a perder sua capacidade supercondutora e se tornar como um metal comum, em que a eletricidade flui com resistência e desperdiça sua energia como calor.

Até agora, não está claro como isso acontece.

Para explorar este fenômeno, a equipe de pesquisadores de Princeton usou uma técnica conhecida como microscopia de tunelamento, que é capaz de criar imagens de átomos individuais, estudar um supercondutor à base de ferro feito de lítio, ferro e arsênico.

Eles introduziram impurezas não magnéticas na forma de átomos de cobalto no supercondutor para ver como ele se comportava.

Os pesquisadores mediram um grande número de amostras em temperaturas extremamente baixas, cerca de 460 graus Fahrenheit negativos (400 graus miliKelvin), que é mais frio do que o espaço sideral em quase dez graus Fahrenheit. Sob estas condições, os pesquisadores localizaram e identificaram cada átomo de cobalto na rede cristalina, e então mediu diretamente o efeito que teve na supercondutividade tanto na escala atomicamente local quanto nas propriedades supercondutoras globais da amostra.

Para fazer isso, os pesquisadores estudaram mais de 30 cristais em oito concentrações diferentes a essas temperaturas extremamente baixas com resolução de nível atômico. "Não há garantia de que qualquer cristal nos dará os dados de alta qualidade de que precisamos, "disse Songtian Sonia Zhang, um estudante de pós-graduação e co-primeiro autor do estudo.

Como resultado desta extensa experiência, a equipe descobriu que cada átomo de cobalto tem um impacto local limitado que desaparece a um ou dois átomos de distância da impureza. Contudo, há um forte, evolução sistemática através de uma transição de fase para um normal, estado não supercondutor à medida que a concentração de cobalto aumenta. A supercondutividade é eventualmente totalmente destruída pela introdução de mais átomos de cobalto.

A supercondutividade se deve ao emparelhamento de dois elétrons para formar um único estado quântico descrito por uma propriedade conhecida como função de onda. Esse emparelhamento permite que os elétrons percorram um material sem a resistência típica que acontece nos metais do dia-a-dia. A energia mínima necessária para espalhar os elétrons e quebrar os pares é chamada de "lacuna de energia supercondutora".

Quando átomos de cobalto são adicionados, a força de espalhamento pode ser descrita de duas maneiras:o limite forte (ou unitário) e o limite fraco (ou de Born). Espalhando-se no limite de Born, nomeado após o físico Max Born, tem o potencial mais fraco para perturbar as funções de onda do elétron que são cruciais para a interação elétron-elétron e, portanto, o par de elétrons.

Ao substituir átomos de ferro, os átomos de cobalto se comportam como dispersores do limite de Born. Embora os dispersores do limite de Born tenham um potencial relativamente fraco para interromper a supercondutividade, quando muitos se combinam, eles podem destruir a supercondutividade.

Os pesquisadores descobriram que, para o material de arseneto de ferro e lítio, espalhar no limite de Born é aparentemente capaz de violar o teorema de Anderson, levando a uma transição de fase quântica de um estado supercondutor para um não supercondutor.

Materiais supercondutores podem ser descritos por um recurso conhecido como espectro de tunelamento, que fornece uma descrição do comportamento dos elétrons em um material e atua como um perfil de distribuição de energia do elétron. O material de arsenieto de lítio e ferro tem o que é conhecido como lacuna de "onda S", caracterizada por um fundo plano "em forma de U" na lacuna de energia supercondutora. Uma lacuna supercondutora totalmente aberta indica a qualidade dos materiais supercondutores.

Em uma reviravolta surpreendente, as impurezas de cobalto não apenas suprimem a supercondutividade, eles também mudam a natureza da lacuna conforme ela evolui de uma forma de U para uma forma de V. A forma da lacuna supercondutora geralmente reflete o "parâmetro de ordem, ", que descreve a natureza da supercondutividade. Tal forma é característica dos parâmetros de ordem que ocorrem apenas em um número único de supercondutores de alta temperatura e sugere um comportamento extremamente não convencional.

A transformação aparente por meio de uma mudança no parâmetro de pedido (por exemplo, refletido nas medições pela mudança na forma da lacuna supercondutora) apenas contribui para o quebra-cabeça quântico.

Essa evolução é incomum e levou os pesquisadores a aprofundar suas investigações. Ao combinar cálculos teóricos com medições magnéticas, eles foram capazes de confirmar a natureza não magnética do espalhamento do cobalto.

Uma vez que o teorema de Anderson afirma que as impurezas não magnéticas devem ter pouco efeito sobre este tipo de supercondutor, os pesquisadores perceberam que uma teoria alternativa precisava ser desenvolvida.

Em supercondutores à base de ferro, os cientistas especularam que há uma mudança de sinal para o parâmetro de ordem de fase supercondutora em diferentes "bolsões de Fermi" - os contornos de energia que se formam devido às regras pelas quais os elétrons ocupam a estrutura cristalina.

"Ingenuamente, distinguir entre supercondutividade convencional e supercondutividade de mudança de sinal requer uma medição sensível à fase do parâmetro de ordem supercondutor, o que pode ser extremamente desafiador, "disse Ilya Belopolski, um pesquisador de pós-doutorado no grupo de Hasan e co-autor do estudo. "Um belo aspecto do nosso experimento é que, considerando as violações do teorema de Anderson, podemos contornar esse requisito. "

Na verdade, a equipe descobriu que, ao introduzir tal mudança de sinal no parâmetro de ordem da supercondutividade, eles foram capazes de reproduzir a evolução ímpar das impurezas de cobalto. Indo além desses cálculos iniciais, a equipe empregou mais três métodos teóricos de última geração para demonstrar o impacto dos dispersores não magnéticos de cobalto neste supercondutor de mudança de sinal.

"O fato de que três modelos teóricos diferentes apontam para a mesma explicação demonstra que esta é uma conclusão robusta, "disse Jia-Xin Yin, um associado de pesquisa de pós-doutorado e outro co-autor do estudo. Na busca por resolver os mistérios da supercondutividade, são desenvolvidos modelos complicados que nem sempre concordam entre si. Nesse caso, Yin disse, "os resultados independentes do modelo determinam inequivocamente que se trata de um supercondutor exótico que muda o sinal e não foi originalmente considerado pelo trabalho de Anderson."