Físicos de três continentes relatam a primeira evidência experimental para explicar o comportamento eletrônico incomum por trás do supercondutor mais fino do mundo, um material com inúmeras aplicações porque conduz eletricidade de forma extremamente eficiente. Nesse caso, o supercondutor tem apenas uma camada atômica de espessura.

O trabalho, liderado por um professor do MIT e um físico do Laboratório Nacional de Brookhaven, foi possível graças à nova instrumentação disponível em apenas algumas instalações no mundo. Os dados resultantes podem ajudar a orientar o desenvolvimento de melhores supercondutores. Estes, por sua vez, podem transformar os campos do diagnóstico médico, Computação quântica, e transporte de energia, em que todos usam supercondutores.

O assunto do trabalho pertence a uma excitante classe de supercondutores que se tornam supercondutores em temperaturas uma ordem de magnitude mais altas do que suas contrapartes convencionais, tornando-os mais fáceis de usar em aplicativos. Supercondutores convencionais só funcionam em temperaturas em torno de 10 Kelvin, ou -442 Fahrenheit.

Esses chamados supercondutores de alta temperatura, Contudo, ainda não são totalmente compreendidos. "Suas excitações microscópicas e dinâmicas são essenciais para a compreensão da supercondutividade, mas depois de 30 anos de pesquisa, muitas questões ainda estão em aberto, "diz Riccardo Comin, a Classe de 1947 Professor Assistente de Desenvolvimento de Carreira de Física no MIT. O novo trabalho, que é relatado em 25 de maio, Edição de 2021 de Nature Communications , ajuda a responder a essas perguntas.

Supercondutor mais fino do mundo

Em 2015, os cientistas descobriram um novo tipo de supercondutor de alta temperatura:uma folha de seleneto de ferro com apenas uma camada atômica de espessura capaz de superconduzir a 65 Kelvin. Em contraste, amostras a granel do mesmo material superconduzem a uma temperatura muito mais baixa (8 Kelvin). A descoberta "desencadeou uma onda de investigação para decodificar os segredos do supercondutor mais fino do mundo, "diz Comin, que também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT.

Em um metal normal, os elétrons se comportam de maneira muito semelhante à das pessoas que dançam em uma sala. Em um metal supercondutor, os elétrons se movem em pares, como casais em um baile. "E todos esses pares estão se movendo em uníssono, como se fossem parte de uma coreografia quântica, em última análise, levando a uma espécie de superfluido eletrônico, "diz Comin.

Mas qual é a interação, ou "cola, "que mantém esses pares de elétrons juntos? Os cientistas sabem há muito tempo que em supercondutores convencionais, essa cola é derivada do movimento dos átomos dentro de um material. "Se você olhar para um sólido sentado em uma mesa, não parece estar fazendo nada, "Comin diz. No entanto, "muita coisa está acontecendo em nanoescala. Dentro desse material, os elétrons estão voando em todas as direções possíveis e os átomos estão chacoalhando; eles estão vibrando." Em supercondutores convencionais, os elétrons usam a energia armazenada nesse movimento atômico para formar pares.

A cola por trás do emparelhamento de elétrons em supercondutores de alta temperatura é diferente. Os cientistas teorizaram que esta cola está relacionada a uma propriedade dos elétrons chamada spin (outra, propriedade mais familiar dos elétrons é sua carga). O spin pode ser considerado um ímã elementar, diz Pelliciari. A ideia é que em um supercondutor de alta temperatura, elétrons podem pegar parte da energia desses spins, conhecido como excitações de spin. E essa energia é a cola que eles usam para formar pares.

Até agora, a maioria dos físicos pensava que seria impossível detectar ou medir excitações de spin em um material com apenas uma camada atômica de espessura. Essa é a notável conquista do trabalho relatado em Nature Communications . Não só os físicos detectaram excitações de spin, mas, entre outras coisas, eles também mostraram que a dinâmica do spin na amostra ultrafina era dramaticamente diferente daquela da amostra geral. Especificamente, a energia dos spins flutuantes na amostra ultrafina era muito maior - por um fator de quatro ou cinco - do que a energia dos spins na amostra global.

"Esta é a primeira evidência experimental da presença de excitações de spin em um material atomicamente fino, "diz Pelliciari.

Equipamento de última geração

Historicamente, o espalhamento de nêutrons tem sido usado para estudar o magnetismo. Uma vez que o spin é a propriedade fundamental do magnetismo, o espalhamento de nêutrons parece ser uma boa sonda experimental. "O problema é que o espalhamento de nêutrons não funciona em um material com apenas uma camada atômica de espessura, "diz Pelliciari.

Insira o espalhamento inelástico de raios-X ressonante (RIXS), uma nova técnica experimental que Pelliciari ajudou a criar.

Ele e Comin discutiram o potencial de usar RIXS para estudar a dinâmica de rotação do novo supercondutor ultrafino, mas Comin foi inicialmente cético. "Eu pensei, 'sim, seria ótimo se pudéssemos fazer isso, mas experimentalmente será quase impossível, '' 'Comin lembra.' Eu pensei que era um verdadeiro lunar. 'Como resultado, "quando Johnny coletou os primeiros resultados, foi alucinante para mim. Eu mantive minhas expectativas baixas, então, quando vi os dados, Eu pulei na minha cadeira. "

Apenas algumas instalações no mundo possuem instrumentos RIXS avançados. 1, localizado na Diamond Light Source (Reino Unido) e liderado pelo Dr. Zhou, é onde a equipe conduziu seu experimento. Outro, que ainda estava sendo construído no momento do experimento, está no Laboratório Nacional de Brookhaven. Pelliciari agora faz parte da equipe que administra as instalações RIXS, conhecido como Beamline SIX, no National Synchrotron Light Source II localizado no Brookhaven Lab.

“O impacto deste trabalho é duplo, "diz o Dr. Thorsten Schmitt, chefe do Grupo de Espectroscopia de Materiais Novos no Paul Scherrer Institut na Suíça. Schmitt não estava envolvido no trabalho. "Do lado experimental, é uma demonstração impressionante da sensibilidade do RIXS às excitações de spin em um material supercondutor com apenas uma camada atômica de espessura. Além disso, espera-se que os [dados resultantes] contribuam para a compreensão do aumento da temperatura de transição supercondutora em tais supercondutores finos. "Em outras palavras, o trabalho pode levar a supercondutores ainda melhores.

Diz Valentina Bisogni, cientista líder do Beamline SIX, "a compreensão da supercondutividade não convencional é um dos principais desafios enfrentados pelos cientistas hoje. A recente descoberta da supercondutividade de alta temperatura em uma película fina de monocamada de seleneto de ferro renovou o interesse no sistema de seleneto de ferro, uma vez que fornece uma nova rota para investigar os mecanismos que permitem a supercondutividade de alta temperatura.

"Nesse contexto, o trabalho de Pelliciari et al. apresenta um esclarecimento, estudo comparativo de seleneto de ferro em massa e seleneto de ferro de monocamada fina, revelando uma reconfiguração dramática das excitações de spin. ”Bisogni não estava envolvido no trabalho de Pelliciari.