Durante anos, os físicos vêm tentando decifrar os detalhes eletrônicos de supercondutores de alta temperatura. Esses materiais podem revolucionar a transmissão de energia e a eletrônica por causa de sua capacidade de transportar corrente elétrica sem perda de energia quando resfriados abaixo de uma determinada temperatura. Detalhes da estrutura eletrônica microscópica dos supercondutores de "alto Tc" podem revelar como diferentes fases (estados da matéria) competem ou interagem com a supercondutividade - um estado no qual elétrons com carga semelhante de alguma forma superam sua repulsão para formar pares e fluir livremente. O objetivo final é entender como fazer com que esses materiais atuem como supercondutores sem a necessidade de superresfriamento.

Agora, os cientistas que estudam supercondutores de alta Tc no Laboratório Nacional de Brookhaven, do Departamento de Energia dos EUA, têm evidências definitivas da existência de um estado da matéria conhecido como onda de densidade de par - prevista pela primeira vez por teóricos há cerca de 50 anos. Seus resultados, publicado no jornal Natureza , mostram que esta fase coexiste com a supercondutividade em um conhecido supercondutor de óxido de cobre à base de bismuto.

"Esta é a primeira evidência espectroscópica direta de que a onda de densidade de par existe em campo magnético zero, "disse Kazuhiro Fujita, o físico que liderou a pesquisa no Laboratório de Brookhaven. "Identificamos que a onda de densidade de par desempenha um papel importante neste material. Nossos resultados mostram que esses dois estados da matéria - onda de densidade de par e supercondutividade - coexistem e interagem."

Os resultados da equipe vêm de medições de espectros de tunelamento de elétrons únicos usando um microscópio de tunelamento de varredura de imagem espectroscópica de última geração (SI-STM) no laboratório OASIS de Brookhaven.

"O que medimos é quantos elétrons em um determinado local 'túnel' da superfície da amostra para a ponta do eletrodo supercondutor do SI-STM e vice-versa conforme variamos a energia (voltagem) entre a amostra e a ponta, "Fujita disse." Com essas medições, podemos mapear a rede cristalina e a densidade de elétrons dos estados - bem como o número de elétrons que temos em um determinado local. "

Quando o material não é supercondutor, elétrons existem em um espectro contínuo de energias, cada um se propagando em seu próprio comprimento de onda exclusivo. Mas quando a temperatura baixa, os elétrons começam a interagir - emparelhando conforme o material entra no estado supercondutor. Quando isso acontece, cientistas observam uma lacuna no espectro de energia, criado por uma ausência de elétrons dentro dessa faixa de energia particular.

"A energia da lacuna é igual à energia necessária para separar os pares de elétrons (o que mostra o quão fortemente eles estavam), "Fujita disse.

Enquanto os cientistas examinavam a superfície do material, eles detectaram estruturas de gap de energia com modulação espacial. Essas modulações no gap de energia revelaram que a força da ligação dos elétrons varia - aumentando ao máximo, em seguida, mergulhando para o mínimo - com esse padrão se repetindo a cada oito átomos na superfície da rede de cristal regularmente arranjada.

Este trabalho baseou-se em medições anteriores, mostrando que a corrente criada por pares de elétrons tunelando no microscópio também variava da mesma maneira periódica. Essas modulações na corrente foram a primeira evidência, embora um tanto circunstancial, que a onda de densidade de par estava presente.

"Modulações na corrente dos elétrons emparelhados é um indicador de que há modulações em quão fortemente emparelhados os elétrons estão na superfície. Mas, desta vez, medindo o espectro de energia de elétrons individuais, conseguimos medir diretamente a lacuna de modulação nos espectros onde ocorre o emparelhamento. As modulações no tamanho dessas lacunas são evidências espectroscópicas diretas de que o estado de onda de densidade de par existe, "Fujita disse.

Os novos resultados também incluíram evidências de outras assinaturas-chave da onda de densidade de par - incluindo defeitos chamados "meio-vórtices" - bem como suas interações com a fase supercondutora.

Além disso, as modulações de gap de energia refletem outras pesquisas do Brookhaven Lab, indicando a existência de padrões de modulação de características eletrônicas e magnéticas - às vezes chamadas de "listras" - que também ocorrem com uma periodicidade de célula de oito unidades em certos supercondutores de cuprato de alta Tc.

"Juntas, essas descobertas indicam que a onda de densidade de par desempenha um papel significativo nas propriedades supercondutoras desses materiais. A compreensão desse estado pode nos ajudar a entender o complexo diagrama de fase que mapeia como as propriedades supercondutoras emergem em diferentes condições, incluindo temperatura, campo magnético, e densidade da portadora de carga, "Fujita disse.