Um pulso de laser infravermelho induz supercondutividade em altas temperaturas no K3C60. Depois de uma excitação prolongada, este estado induzido pela luz torna-se metaestável por muitos nanossegundos. Crédito:© Jörg Harms / MPSD
Supercondutividade - a capacidade de um material de transmitir uma corrente elétrica sem perda - é um efeito quântico que, apesar de anos de pesquisa, ainda está limitado a temperaturas muito baixas. Agora, uma equipe de cientistas do MPSD conseguiu criar um estado metaestável com desaparecimento da resistência elétrica em um sólido molecular, expondo-o a pulsos finamente ajustados de intensa luz laser. Este efeito já havia sido demonstrado em 2016 por apenas um curto período de tempo, mas em um novo estudo, os autores do artigo mostraram uma vida útil muito mais longa, quase 10.000 vezes mais do que antes. A longa vida útil da supercondutividade induzida por luz é uma promessa para aplicações em eletrônica integrada. A pesquisa de Budden et al. foi publicado em Física da Natureza .
A supercondutividade é um dos fenômenos mais fascinantes e misteriosos da física moderna. Ele descreve a perda repentina de resistência elétrica em certos materiais quando eles são resfriados abaixo de uma temperatura crítica. Contudo, a necessidade desse resfriamento ainda limita a usabilidade tecnológica desses materiais.
Nos últimos anos, a pesquisa do grupo de Andrea Cavalleri no MPSD revelou que pulsos intensos de luz infravermelha são uma ferramenta viável para induzir propriedades supercondutoras em uma variedade de materiais diferentes em temperaturas muito mais altas do que seria possível sem foto-estimulação. Contudo, esses estados exóticos persistiram até agora por apenas alguns picossegundos (trilionésimos de segundo), limitando assim os métodos experimentais para estudá-los à óptica ultra-rápida.
Um avanço pioneiro foi relatado esta semana. Os pesquisadores do grupo Cavalleri conseguiram agora aumentar a vida útil de tal estado supercondutor induzido pela luz em mais de quatro ordens de magnitude no supercondutor orgânico K3C60, que é baseado em fulerenos (moléculas de 'bola de futebol' formadas por 60 átomos de carbono). "Nós descobrimos um estado de longa duração com resistência ao desaparecimento a uma temperatura cinco vezes mais alta do que aquela em que a supercondutividade se instala sem fotoexcitação, "diz o autor principal Matthias Budden, estudante de doutorado na época da pesquisa.
"O ingrediente chave para este sucesso foi o desenvolvimento de um novo tipo de fonte de laser que pode produzir alta intensidade, pulsos de luz infravermelha média com duração ajustável de cerca de um picossegundo a um nanossegundo, "acrescenta o co-autor Thomas Gebert. O novo tipo de laser é baseado na sincronização de lasers de gás de alta potência com pulsos de nanossegundos relativamente longos com o ritmo ultrapreciso de pulsos de laser de estado sólido muito mais curtos.
Quando esses pulsos longos e intensos de luz infravermelha atingem um material, eles podem induzir vibrações moleculares, distorções da rede e até mesmo mudanças na configuração eletrônica. Dada a complexidade desses processos, não é surpreendente que várias teorias muito diferentes tenham sido propostas para descrever a física da supercondutividade intensificada pela luz. Surpreendentemente, os autores descobriram em seu novo trabalho que a supercondutividade persistia por dezenas de nanossegundos após a fotoexcitação. Essas vidas significativamente prolongadas dos estados supercondutores permitiram à equipe estudar sistematicamente a resistência elétrica dos materiais. Embora uma descrição microscópica da supercondutividade induzida por luz em K 3 C 60 ainda está faltando, esses resultados representam uma nova referência para as teorias atuais.
"Mais importante, "Matthias Budden conclui, "nosso trabalho abre caminho para experimentos urgentes em um efeito Meissner fotoinduzido e inspira pensamentos sobre aplicações de circuitos supercondutores em dispositivos integrados baseados em eletrônica de alta velocidade de última geração." Essas aplicações incluem sensores de campo magnético extremamente sensíveis, computação quântica de alto desempenho e transmissão de energia sem perdas. De forma geral, graças à nova abordagem de combinar pulsos de excitação no infravermelho médio mais longos com medições diretas de propriedades eletrônicas e magnéticas, a equipe do MPSD visa melhorar o controle e a compreensão dos muitos fenômenos fascinantes em materiais complexos.
