Supercondutores de alta temperatura são uma classe de materiais que podem conduzir eletricidade com resistência quase zero em temperaturas que são relativamente altas em comparação com seus equivalentes padrão, que deve ser resfriado até quase zero absoluto - a temperatura mais fria possível. Os materiais de alta temperatura são empolgantes porque têm a possibilidade de revolucionar a vida moderna, como facilitando a transmissão de energia ultraeficiente ou sendo usado para criar computadores quânticos de ponta.

Um grupo particular de supercondutores de alta temperatura, os cuprates, foi estudado por 30 anos, no entanto, os cientistas ainda não conseguem explicar totalmente como eles funcionam:o que se passa dentro de um cuprate "típico"?

Reunir um quadro completo de seu comportamento eletrônico é vital para a engenharia do 'Santo Graal' dos cuprates:um versátil, material robusto que pode superconduzir em temperatura ambiente e pressão ambiente.

Para esse fim, um grupo de pesquisa liderado por cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) recentemente descobriu novas informações sobre o comportamento eletrônico de um cuprate específico usando uma técnica de raios-X que não foi, até agora, amplamente usada para estudá-los. Trabalhando em parte na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II do Laboratório Brookhaven (NSLS-II), um DOE Office of Science User Facility, os pesquisadores usaram uma forma de espalhamento de raios-X para investigar um arranjo específico de carga elétrica que surge em cupratos:um padrão ordenado de elétrons conhecido como onda de densidade de carga (CDW).

A técnica de raios-X - espalhamento inelástico de raios-X ressonante (RIXS) - pode abrir novos caminhos intrigantes de pesquisa nesses materiais. Os resultados desta investigação foram publicados na edição online de 21 de maio de Cartas de revisão física .

CDWs nos cuprates

Um CDW pode ser visualizado como um padrão de onda estacionária de elétrons. Os CDWs surgem em ordem, materiais cristalinos, como cuprates, que são compostos por camadas alternadas de óxido de cobre e um isolante (normalmente outro óxido). Os planos isolantes servem como reservatórios de carga que alimentam as camadas de óxido de cobre onde ocorre a supercondutividade.

Há muito se suspeita que os CDWs desempenham um papel vital na forma como os cupratos superconduzem, mas caracterizando um - como ele surge e desaparece, como se comporta, como ele adiciona ou impede a supercondutividade - é um desafio contínuo para os cientistas.

No NSLS-II e na Diamond Light Source do Reino Unido, o grupo estudou um cuprato composto de lantânio, cobre, e oxigênio que foi "dopado" com pequenas quantidades de estrôncio (apelidado de LSCO). O doping é uma técnica em que pequenas quantidades de uma substância impureza são adicionadas a um composto para alterar ou melhorar seu sistema elétrico, óptico, ou propriedades estruturais.

O grupo criou quatro amostras LSCO com quatro níveis de dopagem diferentes. Os níveis de dopagem cobrem uma gama de comportamentos eletrônicos em que o CDW é mais forte e depois desaparece. Esta faixa também cobre uma transição na estrutura eletrônica do LSCO:a "superfície de Fermi, "que é uma camada 3-D teórica que separa os orbitais de elétrons preenchidos e não preenchidos - o volume em torno de um núcleo onde os elétrons particulares são mais prováveis ​​de estar - quando o material tem uma temperatura de zero absoluto. As superfícies de Fermi são abstratas, mas são muito importantes, frequentemente prevendo o comportamento eletrônico de um material, bem como muitas outras propriedades.

Uma nova maneira de estudar CDWs cuprate

No RIXS, a energia dos fótons de raios-X incidentes é transferida para os elétrons do nível central em uma amostra cristalina, "empolgando-os" na banda de condução. As vagas deixadas pelos elétrons centrais são preenchidas por elétrons da banda de valência, que emitem um fóton ao saltarem para a banda de energia mais baixa. Esses fótons emitidos formam um espectro de energias que pode ser analisado para obter informações sobre as excitações e o comportamento eletrônico geral do material.

No NSLS-II, o trabalho foi feito na linha de luz Soft Inelastic X-Ray (SIX), que oferece RIXS de resolução de energia ultra-alta. A técnica tem uma sensibilidade aprimorada para excitações de elétrons de valência e fônons - as vibrações coletivas da rede atômica. Um CDW pode ser associado a essas excitações.

"A recente descoberta de que os efeitos do CDW são integrados aos espectros RIXS de cuprate tem sido estimulante para os pesquisadores neste campo, uma vez que mantém a promessa tentadora de que podemos ser capazes de esclarecer as interações que dão origem aos CDWs, "disse Mark Dean, um físico do Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais de Brookhaven, que liderou o estudo junto com Xuerong Liu da Shanghai Tech University e Valentina Bisogni do NSLS-II.

Dean e seus colegas descobriram que os espectros RIXS permanecem praticamente inalterados em todos os níveis de doping, apesar de cruzar a transição Fermi. Isso indica que os espectros não estão relacionados às excitações perto da superfície de Fermi. Mas aprender mais com os espectros RIXS, ou seja, isolar e interpretar os possíveis efeitos de um CDW - é um desafio.

"Os CDWs inevitavelmente modificam sua estrutura de cristal hospedeiro e, portanto, os fônons, ", disse Bisogni." Para complicar ainda mais as coisas é o fato de que existem diferentes abordagens para interpretar os dados RIXS. "

Por meio de rigor, análise cuidadosa, a equipe de pesquisa concluiu que os espectros RIXS têm pouca ou nenhuma relação direta com as excitações eletrônicas. Em vez de, eles são mais fortemente afetados pelo comportamento do fônon, incluindo um "amolecimento" dos fônons - uma redução na frequência - induzida pelo CDW e mudanças na intensidade dos fônons.

"A resolução de energia recorde mundial alcançada recentemente na linha de luz SIX foi crucial para esta investigação, permitindo-nos resolver e identificar as diferentes contribuições presentes nos dados RIXS, "disse Dean.

O grupo afirma que seus resultados apóiam um cenário no qual o CDW é impulsionado por "fortes correlações" entre elétrons - um termo usado para descrever comportamentos eletrônicos não bem compreendidos em materiais - e adiciona suporte à ideia de que a resposta RIXS no cuprates é impulsionado por como o CDW modifica a estrutura cristalina, e como essas modificações invocam interações mais complexas.

"Graças ao desempenho do SIX, conseguimos colocar uma nova peça no quebra-cabeça que é a física dos supercondutores de cuprato, "disse Bisogni." Depois de todo o trabalho de construção da linha de luz, comissionado, e otimizado, é ótimo ver ciência de alto impacto saindo desse esforço. Esperamos que esta publicação seja a primeira de muitas publicações colaborativas. "

Em trabalho futuro, a mesma equipe espera estudar esses sistemas com resolução de energia ainda mais alta para revelar detalhes dos modos vibracionais de energia mais baixa da rede.