Pesquisadores da Escola de Física da Universidade de Bristol usaram alguns dos campos magnéticos contínuos mais fortes da Europa para descobrir evidências de portadores de carga exóticos no estado metálico de supercondutores de óxido de cobre de alta temperatura (cupratos de alto Tc). Seus resultados foram publicados esta semana em Natureza . Em uma publicação relacionada na SciPost Physics na semana passada, a equipe postulou que são esses portadores de carga exóticos que formam os pares supercondutores, em marcante contraste com as expectativas da teoria convencional.

A supercondutividade é um fenômeno fascinante em que, abaixo da chamada temperatura crítica, um material perde toda a sua resistência às correntes elétricas. Em certos materiais, em baixas temperaturas, todos os elétrons estão emaranhados em um único, estado quântico macroscópico, o que significa que eles não se comportam mais como partículas individuais, mas como um coletivo - resultando em supercondutividade. A teoria geral para este comportamento coletivo do elétron é conhecida há muito tempo, mas uma família de materiais, os cuprates, recusa-se a se conformar com o paradigma. Eles também possuem as mais altas temperaturas de transição supercondutoras de pressão ambiente conhecidas. Por muito tempo se pensou que, para esses materiais, o mecanismo que "cola" os elétrons deve ser especial, mas recentemente a atenção mudou e agora os físicos investigam os estados não supercondutores dos cupratos, na esperança de encontrar pistas sobre a origem da supercondutividade de alta temperatura e sua distinção dos supercondutores normais.

Supercondutividade de alta temperatura

A maioria dos supercondutores, quando aquecido para exceder sua temperatura crítica, transformar em metais 'comuns'. O emaranhamento quântico que causa o comportamento coletivo dos elétrons desaparece, e os elétrons começam a se comportar como um 'gás' comum de partículas carregadas.

Cupratos são especiais, Contudo. Em primeiro lugar, como acima mencionado, porque sua temperatura crítica é consideravelmente mais alta do que a de outros supercondutores. Em segundo lugar, eles têm propriedades mensuráveis ​​muito especiais, mesmo em sua 'fase metálica'. Em 2009, o físico Prof Nigel Hussey e colaboradores observaram experimentalmente que os elétrons nesses materiais formam um novo tipo de estrutura, diferente daquele em metais comuns, estabelecendo assim um novo paradigma que os cientistas agora chamam de 'metal estranho'. Especificamente, a resistividade em baixas temperaturas foi considerada proporcional à temperatura, não em um ponto singular no diagrama de temperatura versus fase de dopagem (como esperado para um metal próximo a um ponto crítico quântico magnético), mas em uma faixa estendida de dopagem. Essa criticidade estendida tornou-se uma característica definidora da fase de "metal estranho" da qual a supercondutividade emerge nos cupratos.

Magnetoresistência em um metal estranho

No primeiro desses novos relatórios, Bolsista do Prêmio de Doutorado EPSRC Jakes Ayres e Ph.D. estudante Maarten Berben (baseado na HFML-FELIX em Nijmegen, Holanda) estudou a magnetorresistência - a mudança na resistividade em um campo magnético - e descobriu algo inesperado. Em contraste com a resposta dos metais usuais, a magnetorresistência segue uma resposta peculiar na qual o campo magnético e a temperatura aparecem em quadratura. Tal comportamento só havia sido observado anteriormente em um ponto crítico quântico singular, mas aqui, como com a resistividade de campo zero, a forma de quadratura da magnetorresistência foi observada em uma ampla faixa de dopagem. Além disso, a força da magnetorresistência foi encontrada duas ordens de magnitude maior do que o esperado do movimento orbital convencional e insensível ao nível de desordem do material, bem como à direção do campo magnético em relação à corrente elétrica. Esses recursos nos dados, juntamente com a escala de quadratura, implicava que a origem desta magnetorresistência incomum não era o movimento orbital coerente de portadores metálicos convencionais, mas sim um não orbital, movimento incoerente de um tipo diferente de portador cuja energia estava sendo dissipada na taxa máxima permitida pela mecânica quântica.

De dissipação máxima para mínima

O professor Hussey disse:"Levando em consideração as medições anteriores do efeito Hall, tínhamos evidências convincentes para dois tipos distintos de portadores em cuprates - um convencional, o outro 'estranho'. A questão chave então era que tipo era responsável pela supercondutividade de alta temperatura? Nossa equipe liderada por Matija Čulo e Caitlin Duffy então comparou a evolução da densidade dos portadores convencionais no estado normal e a densidade do par no estado supercondutor e chegou a uma conclusão fascinante; que o estado supercondutor em cupratos é de fato composto por aqueles portadores exóticos que sofrem tal dissipação máxima no estado metálico. Isso está muito longe da teoria original da supercondutividade e sugere que um paradigma inteiramente novo é necessário, aquele em que o estranho metal toma o centro do palco. "