Um novo estudo mostra que os supercondutores de óxido de níquel, que conduzem eletricidade sem perda em temperaturas mais altas do que os supercondutores convencionais, contêm um tipo de matéria quântica chamada ondas de densidade de carga, ou CDWs, que podem acompanhar a supercondutividade.
A presença de CDWs mostra que esses materiais recentemente descobertos, também conhecidos como niquelados, são capazes de formar estados correlacionados - "sopas de elétrons" que podem hospedar uma variedade de fases quânticas, incluindo supercondutividade, pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e Universidade de Stanford relatou em Nature Physics hoje.

“Ao contrário de qualquer outro supercondutor que conhecemos, os CDWs aparecem antes mesmo de doparmos o material, substituindo alguns átomos por outros para alterar o número de elétrons que estão livres para se movimentar”, disse Wei-Sheng Lee, cientista e investigador principal do SLAC. com o Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES), que liderou o estudo.

"Isso torna os niquelados um novo sistema muito interessante - um novo playground para estudar supercondutores não convencionais."

Níquelados e cupratos

Nos 35 anos desde que os primeiros supercondutores não convencionais de "alta temperatura" foram descobertos, os pesquisadores correram para encontrar um que pudesse transportar eletricidade sem perda perto da temperatura ambiente. Este seria um desenvolvimento revolucionário, permitindo coisas como linhas de energia perfeitamente eficientes, trens maglev e uma série de outras tecnologias futuristas de economia de energia.

Mas, embora um vigoroso esforço de pesquisa global tenha identificado muitos aspectos de sua natureza e comportamento, as pessoas ainda não sabem exatamente como esses materiais se tornam supercondutores.

Assim, a descoberta dos poderes supercondutores do níquel pelos investigadores do SIMES há três anos foi emocionante porque deu aos cientistas uma nova perspectiva sobre o problema.

Desde então, os pesquisadores do SIMES têm explorado a estrutura eletrônica dos niquelados – basicamente a forma como seus elétrons se comportam – e o comportamento magnético. Esses estudos revelaram semelhanças importantes e diferenças sutis entre os niquelados e os óxidos de cobre ou cupratos - os primeiros supercondutores de alta temperatura já descobertos e ainda os detentores de recordes mundiais de operação de alta temperatura em pressões diárias.

Como o níquel e o cobre ficam um ao lado do outro na tabela periódica dos elementos, os cientistas não ficaram surpresos ao ver um parentesco ali e, de fato, suspeitaram que os niquelados poderiam ser bons supercondutores. Mas acabou sendo extraordinariamente difícil construir materiais com as características certas.

"Isso ainda é muito novo", disse Lee. “As pessoas ainda estão lutando para sintetizar filmes finos desses materiais e entender como diferentes condições podem afetar os mecanismos microscópicos subjacentes relacionados à supercondutividade”.

Ondulações de elétrons congeladas

Os CDWs são apenas um dos estados estranhos da matéria que disputam proeminência em materiais supercondutores. Você pode pensar neles como um padrão de ondulações de elétrons congelados sobrepostos à estrutura atômica do material, com uma densidade mais alta de elétrons nos picos das ondulações e uma densidade mais baixa de elétrons nas calhas.

À medida que os pesquisadores ajustam a temperatura do material e o nível de dopagem, vários estados emergem e desaparecem. Quando as condições são perfeitas, os elétrons do material perdem suas identidades individuais e formam uma sopa de elétrons, e estados quânticos como supercondutividade e CDWs podem surgir.

Um estudo anterior do grupo SIMES não encontrou CDWs em niquelados que contêm o elemento de terras raras neodímio. Mas neste último estudo, a equipe do SIMES criou e examinou um material niquelado diferente onde o neodímio foi substituído por outro elemento de terras raras, o lantânio.

“O surgimento de CDWs pode ser muito sensível a coisas como tensão ou desordem em seus arredores, que podem ser ajustados usando diferentes elementos de terras raras”, explicou Matteo Rossi, que liderou os experimentos enquanto pesquisador de pós-doutorado no SLAC.

A equipe realizou experimentos em três fontes de luz de raios-X - a Diamond Light Source no Reino Unido, a Stanford Synchrotron Radiation Lightsource no SLAC e a Advanced Light Source no Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE. Cada uma dessas instalações oferecia ferramentas especializadas para sondar e entender o material em um nível fundamental. Todos os experimentos tiveram que ser realizados remotamente por causa das restrições da pandemia.

'Essencialmente autodoping'

Os experimentos mostraram que esse niquelado poderia hospedar tanto CDWs quanto estados supercondutores da matéria – e que esses estados estavam presentes mesmo antes de o material ser dopado. Isso foi surpreendente, porque a dopagem geralmente é uma parte essencial da obtenção de materiais para a supercondução.

Lee disse que o fato de esse niquelado ser essencialmente autodopante o torna significativamente diferente dos cupratos.

"Isso torna os niquelados um novo sistema muito interessante para estudar como essas fases quânticas competem ou se entrelaçam", disse ele. "E isso significa que muitas ferramentas usadas para estudar outros supercondutores não convencionais também podem ser relevantes para este." + Explorar mais

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