Quando há vários processos acontecendo ao mesmo tempo, estabelecer relações de causa e efeito é difícil. Esse cenário é verdadeiro para uma classe de supercondutores de alta temperatura conhecidos como cupratos. Descoberto há quase 35 anos, esses compostos de cobre-oxigênio podem conduzir eletricidade sem resistência sob certas condições. Eles devem ser quimicamente modificados ("dopados") com átomos adicionais que introduzem elétrons ou buracos (lacunas de elétrons) nas camadas de óxido de cobre e resfriados a temperaturas abaixo de 100 Kelvin - temperaturas significativamente mais altas do que as necessárias para supercondutores convencionais. Mas exatamente como os elétrons superam sua repulsão mútua e se emparelham para fluir livremente nesses materiais continua sendo uma das maiores questões na física da matéria condensada. A supercondutividade de alta temperatura (HTS) está entre muitos fenômenos que ocorrem devido a fortes interações entre elétrons, tornando difícil determinar de onde vem.

É por isso que os físicos do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) estudam um cuprato bem conhecido contendo camadas feitas de óxido de bismuto, óxido de estrôncio, cálcio, e óxido de cobre (BSCCO) decidiu se concentrar no lado menos complicado "overdoped", dopando o material tanto que a supercondutividade eventualmente desaparece. Como relataram em um artigo publicado em 29 de janeiro em Nature Communications , essa abordagem permitiu que eles identificassem que as interações puramente eletrônicas provavelmente levam ao HTS.

"A supercondutividade em cupratos geralmente coexiste com arranjos periódicos de carga elétrica ou spin e muitos outros fenômenos que podem competir com ou auxiliar a supercondutividade, complicando a imagem, "explicou a primeira autora Tonica Valla, um físico do Grupo de Espectroscopia Eletrônica da Divisão de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais do Laboratório Brookhaven. "Mas esses fenômenos enfraquecem ou desaparecem completamente com o overdoping, deixando nada além de supercondutividade. Assim, esta é a região perfeita para estudar a origem da supercondutividade. Nossos experimentos descobriram uma interação entre elétrons no BSCCO que se correlaciona um a um com a supercondutividade. A supercondutividade surge exatamente quando essa interação aparece pela primeira vez e se torna mais forte à medida que a interação se fortalece. "

Só muito recentemente se tornou possível exagerar na dosagem de amostras de cuprato além do ponto em que a supercondutividade desaparece. Anteriormente, um cristal a granel do material seria recozido (aquecido) em gás oxigênio de alta pressão para aumentar a concentração de oxigênio (o material dopante). O novo método - que Valla e outros cientistas de Brookhaven demonstraram pela primeira vez há cerca de um ano no OASIS, um novo instrumento local para preparação e caracterização de amostras - usa ozônio em vez de oxigênio para recozer amostras clivadas. Cleaving refere-se a quebrar o cristal no vácuo para criar superfícies perfeitamente planas e limpas.

“O poder de oxidação do ozônio, ou sua capacidade de aceitar elétrons, é muito mais forte do que o oxigênio molecular, "explicou o co-autor Ilya Drozdov, um físico da divisão Oxide Molecular Beam Epitaxy (OMBE) Group. "Isso significa que podemos trazer mais oxigênio para o cristal para criar mais buracos nos planos de óxido de cobre, onde ocorre a supercondutividade. No OASIS, podemos driblar as camadas superficiais do material até a região não supercondutora e estudar as excitações eletrônicas resultantes. "

O OASIS combina um sistema OMBE para o cultivo de filmes finos de óxido com espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) e instrumentos de microscopia de varredura por tunelamento de imagem espectroscópica (SI-STM) para estudar a estrutura eletrônica desses filmes. Aqui, materiais podem ser cultivados e estudados usando o mesmo sistema de ultra-alto vácuo conectado para evitar oxidação e contaminação por dióxido de carbono, agua, e outras moléculas na atmosfera. Como ARPES e SI-STM são técnicas extremamente sensíveis à superfície, superfícies puras são essenciais para a obtenção de medições precisas.

Para este estudo, coautora Genda Gu, um físico do Grupo de Espalhamento de Nêutrons da divisão, cresceu cristais BSCCO em massa. Drozdov recozeu os cristais clivados em ozônio na câmara OMBE no OASIS para aumentar a dopagem até que a supercondutividade fosse completamente perdida. A mesma amostra foi então recozida no vácuo para reduzir gradualmente a dopagem e aumentar a temperatura de transição na qual surge a supercondutividade. Valla analisou a estrutura eletrônica do BSCCO através deste diagrama de fase de temperatura de dopagem por meio do ARPES.

"O ARPES oferece a imagem mais direta da estrutura eletrônica de qualquer material, "disse Valla." A luz excita os elétrons de uma amostra, e medindo sua energia e o ângulo em que escapam, você pode recriar a energia e o momento dos elétrons enquanto eles ainda estavam no cristal. "

Ao medir essa relação energia versus momento, Valla detectou uma torção (anomalia) na estrutura eletrônica que segue a temperatura de transição supercondutora. A torção se torna mais pronunciada e muda para energias mais altas conforme esta temperatura aumenta e a supercondutividade fica mais forte, mas desaparece fora do estado supercondutor. Com base nessas informações, ele sabia que a interação criando os pares de elétrons necessários para a supercondutividade não poderia ser o acoplamento elétron-fônon, como teorizado para supercondutores convencionais. Sob esta teoria, fônons, ou vibrações de átomos na estrutura cristalina, servem como uma força atrativa para elétrons que de outra forma seriam repulsivos por meio da troca de momento e energia.

"Nosso resultado nos permitiu descartar o acoplamento elétron-fônon porque os átomos na rede podem vibrar e os elétrons podem interagir com essas vibrações, independentemente de o material ser supercondutor ou não, "disse Valla." Se os fonons estivessem envolvidos, esperaríamos ver a torção tanto no estado supercondutor quanto no estado normal, e a torção não mudaria com o doping. "

A equipe acredita que algo semelhante ao acoplamento elétron-fônon está acontecendo neste caso, mas em vez de fônons, outra excitação é trocada entre os elétrons. Parece que os elétrons estão interagindo por meio de flutuações de spin, que estão relacionados aos próprios elétrons. As flutuações de spin são mudanças no spin do elétron, ou a maneira como os elétrons apontam para cima ou para baixo como pequenos ímãs.

Além disso, os cientistas descobriram que a energia da torção é menor do que a de uma energia característica na qual um pico agudo (ressonância) no espectro de flutuação do spin aparece. Sua descoberta sugere que o início das flutuações de spin (em vez do pico de ressonância) é responsável pela torção observada e pode ser a "cola" que liga os elétrons aos pares necessários para o HTS.

Próximo, a equipe planeja coletar evidências adicionais mostrando que as flutuações de spin estão relacionadas à supercondutividade por meio da obtenção de medições SI-STM. Eles também realizarão experimentos semelhantes em outro cuprate bem conhecido, óxido de cobre e estrôncio de lantânio (LSCO).

"Pela primeira vez, estamos vendo algo que se correlaciona fortemente com a supercondutividade, "disse Valla." Depois de todos esses anos, agora temos uma compreensão melhor do que pode estar causando a supercondutividade não apenas no BSCCO, mas também em outros cupratos. "