Pesquisadores da Universidade de Stanford realizaram recentemente um estudo aprofundado das transições nemáticas em supercondutores de pnictídeo de ferro. Seu papel, publicado em Física da Natureza , apresenta novos dados de imagem dessas transições coletados usando um microscópio que eles inventaram, apelidado de microscópio de átomo criogênico quântico de varredura (SQCRAMscope).

"Nós inventamos um novo tipo de microscópio de sonda de varredura há alguns anos, "Benjamin L. Lev, o pesquisador que conduziu o estudo, disse a Phys.org. "Pode-se pensar nisso como um microscópio óptico normal, mas em vez da lente focada em algum slide de amostra, o foco está em um gás quântico de átomos que levitou perto da amostra. "

No novo microscópio inventado por Lev e seus colegas, átomos são levitados de um dispositivo de captura de 'chip de átomo' usando campos magnéticos, até que estejam apenas um mícron acima da lâmina de amostra. Esses átomos podem transduzir os campos magnéticos que emanam da amostra na luz coletada pelas lentes do microscópio. Como resultado, SQCRAMscope pode ser usado para criar imagens de campos magnéticos.

"Os átomos que usamos são ultracold e em um estado quântico:eles têm temperatura próxima do zero absoluto e estão entre os gases mais frios do universo conhecido, "Lev disse." Como tal, eles servem como os melhores sensores de campo magnético de baixa frequência em escala de mícron. Os átomos podem ser escaneados sobre a superfície do material, permitindo-nos gravar uma imagem 2-D dos campos próximos. "

Calculando a distância entre os átomos no microscópio e a superfície de um material, os pesquisadores podem retroceder imagens de fontes de campo magnético. Fontes de campo magnético podem, por exemplo, ser elétrons que se movem ou uma magnetização geral dentro de um material.

A obtenção de imagens dessas fontes enquanto as resfria usando uma ferramenta conhecida como 'criostato' pode, em última análise, revelar novos fenômenos físicos que ocorrem em diferentes transições de fase. O microscópio desenvolvido por Lev e seus colegas poderia, assim, servir como um sensor quântico totalmente novo para imagens de campos magnéticos provenientes de uma variedade de materiais, potencialmente levando a novas descobertas fascinantes.

"Uma vez que demonstramos que o SQCRAMscope funciona, começamos a pesquisar o melhor primeiro uso científico para ele, "Lev explicou." Supercondutores à base de ferro (pnictídeo) pareciam candidatos ideais, visto que eles exibem um comportamento interessante de transporte de elétrons na escala de comprimento de mícron em temperaturas acessíveis. "

Os supercondutores de pnictídeo de ferro têm uma série de características incomuns e intrigantes. Até hoje, os físicos não têm certeza sobre como a supercondutividade de alta temperatura crítica (alta Tc), como o observado nestes materiais, trabalho. Supercondutores à base de ferro foram descobertos pela primeira vez por volta de 2008. Curiosamente, pesquisas revelaram que eles exibiam alguns comportamentos semelhantes aos dos supercondutores de cuprato.

"Esses supercondutores 'não convencionais' (em oposição aos convencionais, como o alumínio em baixas temperaturas) existem em materiais cupratos, descoberto em meados dos anos 80, "Lev disse." O mecanismo subjacente à supercondutividade permanece um mistério. Os pesquisadores que operam em nosso campo esperam que a elucidação desse mecanismo forneça robusto, temperatura do quarto, e supercondutores de pressão ambiente para uso em uma ampla variedade de tecnologias. "

Uma semelhança fundamental entre os supercondutores curprate e à base de ferro é que ambos os materiais apresentam fases eletrônicas incomuns da matéria, no lado mais quente da supercondutividade. Duas das mais conhecidas entre essas fases da matéria são as fases do "metal estranho" e do "elétron nemático". A fase nemática eletrônica é um exemplo de cristal líquido quântico, semelhantes aos cristais líquidos clássicos encontrados em monitores LCD.

"Esses cristais clássicos são nemáticos, o que significa que todas as moléculas em forma de bastão se alinham ao longo de uma direção, quebrando a simetria rotacional do material, "Lev disse." Em outras palavras, as moléculas escolhem uma direção preferida para apontar ao longo. Os teóricos da matéria condensada nos anos 90 começaram a pensar sobre como os elétrons podem fazer a mesma coisa. Não que os elétrons não sejam nada parecidos com pontos (pelo que sabemos atualmente), mas que abaixo de uma temperatura de transição crítica, eles decidiriam preferencialmente fluir (ou seja, conduzir ou transportar) ao longo de uma direção particular em um cristal, novamente quebrando a simetria rotacional; isso apareceria como uma anisotropia na resistividade do material. "

Embora nemáticos de elétrons tenham sido observados de forma consistente em supercondutores à base de ferro, os pesquisadores ainda não têm certeza sobre as razões pelas quais eles surgem e a relevância desta fase única da matéria para a fase supercondutora de temperatura mais baixa. A teoria ainda não determinou definitivamente se esta fase atrapalha, aumenta ou desempenha um papel pequeno na determinação da Tc da fase supercondutora do material.

Pnictides podem ser materiais ideais para o estudo de eletronemática, como os elétrons neles também provocam uma distorção espontânea de sua estrutura de rede cristalina. Na verdade, pesquisas anteriores descobriram que, à medida que a resistividade eletrônica desses materiais se torna anisotrópica, sua estrutura distorce de uma forma quadrada para uma forma semelhante a um paralelogramo (ou seja, de tetragonal a ortorrômbico).

Essa transformação tem duas consequências principais. Em primeiro lugar, os domínios estruturais resultantes têm uma anisotropia de resistividade apontando em direções ortogonais. Em segundo lugar, o fato de que a distorção da rede gira a polarização da luz refletida permite que se observe esses domínios usando microscópios ópticos.

"Infelizmente, a primeira consequência complica as medições de transporte, "Lev explicou." Não se pode simplesmente medir a anisotropia de resistividade com um ohmímetro porque a média do sinal chega a zero na estrutura do domínio de inversão. É aí que entramos. Evitamos esse problema de média usando uma sonda local para obter imagens da anisotropia local, domínio por domínio, vendo as direções nas quais os elétrons fluem, detectando o campo magnético que eles lançam. "

Lev e seus colegas foram os primeiros a obter imagens da anisotropia de resistividade local em supercondutores de pnictídeo de ferro. Uma das razões pelas quais eles tiveram sucesso é que a sonda que eles usaram pode operar em temperaturas elevadas (~ 130 K), como aqueles em que essa transição única ocorre.

"Uma sonda padrão, como a varredura de magnetometria SQUID, não consegue realmente imagens de amostras nessas temperaturas com alta resolução porque o próprio dispositivo ficará muito quente e parará de funcionar com alta sensibilidade, "Lev disse." Em contraste, nossa sonda é apenas um gás de átomos que não absorve nenhum calor da amostra. Além disso, porque os átomos são transparentes para a maioria dos comprimentos de onda de luz, fomos capazes de iluminar a superfície para obter imagens dessas estruturas de domínio ao mesmo tempo em que fazíamos as varreduras de magnetometria. "

Ao obter imagens das estruturas de domínio e, simultaneamente, capturar varreduras de magnetometria, os pesquisadores foram capazes de identificar os locais exatos que estavam examinando dentro do material e determinar se a mudança nas estruturas de rede observada nos supercondutores de pnictídeo de ferro realmente ocorre na mesma temperatura crítica de sua nematicidade eletrônica. Usando este sistema de dupla sonda, Lev e seus colegas puderam corroborar suas observações, o que nunca foi alcançado com o uso de outros dispositivos de sondagem.

"A capacidade de imagem local do nosso dispositivo nos permitiu medir uma transição eletrônica mais nítida e ver que ela ocorreu na mesma temperatura da transição estrutural, "Lev disse." A comunidade geral de pesquisa frequentemente perguntou se essas transições de fato ocorreram na mesma temperatura, e mostramos que de fato eles fazem, pelo menos na escala de comprimento de mícron a dezenas de mícron. "

O novo microscópio projetado por Lev e seus colegas usa um condensado de Bose-Einstein, que tem uma sensibilidade que não depende da temperatura da amostra que está sendo analisada. Além de sua função de sonda dupla, o microscópio pode, assim, coletar medições altamente precisas em qualquer coisa, desde a temperatura ambiente até a criogênica, de forma não invasiva.

O estudo recente realizado por Lev e seus colegas tem uma série de implicações importantes. Mais notavelmente, demonstra, pela primeira vez, o potencial do SQCRAMscope dos pesquisadores para estudar fenômenos físicos.

Usando o SQCRAMscope, os pesquisadores foram capazes de coletar as primeiras imagens locais de transições nemáticas em supercondutores de pnictídeo de ferro. Essas imagens oferecem uma visão valiosa sobre como e quando essas transições ocorrem. Em seus próximos estudos, os pesquisadores planejam usar seu sensor quântico para investigar mais a nematicidade, bem como explorar fenômenos físicos em outros materiais quânticos complexos.

"Compilamos uma longa lista de materiais interessantes para estudar agora que o SQCRAMscope está totalmente operacional, "Disse Lev." Estes ou exibem transporte de elétrons protegido topologicamente ou estão fortemente correlacionados (isto é, os elétrons interagem e se movem em uma dança complicada entre si, com a conseqüência de que pelo menos alguns aspectos de sua física muitas vezes ainda são um mistério). "

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