O estudo da supercondutividade está repleto de decepções, becos sem saída e descobertas fortuitas, de acordo com Antia Botana, professora de física da Arizona State University.
"Como teóricos, geralmente falhamos em prever novos supercondutores", disse ela.

No entanto, em 2021, ela experimentou o ponto alto de seu início de carreira. Trabalhando com a experimentalista Julia Mundy na Universidade de Harvard, ela descobriu um novo material supercondutor - um niquelado de camada quíntupla. Eles relataram suas descobertas em Materiais da Natureza em setembro de 2021.

"Foi um dos melhores momentos da minha vida", lembrou Botana. "Eu estava voltando da Espanha e recebi uma mensagem de minha colaboradora Julia Mundy durante minha escala. Quando vi a resistividade cair para zero, não há nada melhor do que isso."

Botana foi escolhida como bolsista de pesquisa da Sloan em 2022. Sua pesquisa é apoiada por um prêmio CAREER da National Science Foundation (NSF).

"O Prof. Botana é um dos teóricos mais influentes no campo da supercondutividade não convencional, particularmente em niquelados em camadas que receberam enorme atenção das comunidades de materiais e física da matéria condensada", disse Serdar Ogut, Diretor do Programa na Divisão de Pesquisa de Materiais da a Fundação Nacional de Ciências. "Espero que seus estudos teóricos pioneiros, em colaboração com os principais experimentalistas nos EUA, continuem a ultrapassar os limites, resultem na descoberta de novos materiais supercondutores e descubram mecanismos fundamentais que um dia podem abrir caminho para a supercondutividade à temperatura ambiente. "

A supercondutividade é um fenômeno que ocorre quando os elétrons formam pares em vez de viajarem isolados, repelindo todo o magnetismo e permitindo que os elétrons viajem sem perder energia. O desenvolvimento de supercondutores à temperatura ambiente permitiria a transmissão de eletricidade sem perdas e computadores quânticos mais rápidos e baratos. Estudar esses materiais é o domínio da teoria da matéria condensada.

“Tentamos entender o que são chamados de materiais quânticos – materiais onde tudo o que aprendemos em nossos estudos de graduação desmorona e ninguém entende por que eles fazem as coisas divertidas que fazem”, brincou Botana.

Ela começou a investigar niquelados, em grande parte, para entender melhor os cupratos – supercondutores à base de óxido de cobre descobertos pela primeira vez em 1986. Trinta anos depois, o mecanismo que produz supercondutividade nesses materiais ainda é muito contestado.

Botana aborda o problema olhando para materiais que parecem cupratos. "Cobre e níquel estão próximos um do outro na tabela periódica", disse ela. "Isso era uma coisa óbvia a se fazer, então as pessoas estavam olhando para os niquelados há muito tempo sem sucesso."

Mas então, em 2019, uma equipe de Stanford descobriu a supercondutividade em um niquelado, embora tenha sido “dopado” ou quimicamente alterado para melhorar suas características eletrônicas. “O material que eles encontraram em 2019 faz parte de uma família maior, que é o que queremos, porque nos permite fazer comparações com cupratos de uma maneira melhor”, disse ela.

A descoberta de Botana em 2021 foi construída sobre essa base, usando uma forma de niquelado não dopado com uma estrutura em camadas plana e quadrada única. Ela decidiu investigar essa forma específica de niquelado - uma terra rara, quíntupla camada, niquelado quadrado-planar - com base na intuição.

"Tendo jogado com muitos materiais diferentes por anos, é o tipo de intuição que as pessoas que estudam a estrutura eletrônica desenvolvem", disse ela. "Eu vi isso ao longo dos anos com meus mentores."

A identificação de outra forma de niquelado supercondutor permite que os pesquisadores descubram semelhanças e diferenças entre os niquelados e entre os niquelados e os cupratos. Até agora, quanto mais niquelados são estudados, mais parecidos com cupratos eles se parecem.

"O diagrama de fases parece bastante semelhante. O mecanismo de emparelhamento de elétrons parece ser o mesmo", diz Botana, "mas esta é uma questão ainda a ser resolvida".

Os supercondutores convencionais exibem emparelhamento de onda s - os elétrons podem emparelhar em qualquer direção e podem ficar um em cima do outro, de modo que a onda é uma esfera. Os niquelados, por outro lado, provavelmente exibem o emparelhamento de ondas d, o que significa que a onda quântica em forma de nuvem que descreve os elétrons emparelhados tem a forma de um trevo de quatro folhas. Outra diferença importante é a força com que o oxigênio e os metais de transição se sobrepõem nesses materiais. Cupratos exibem uma grande "supertroca" - o material troca elétrons em átomos de cobre através de um caminho que contém oxigênio, em vez de diretamente.

"Achamos que pode ser um dos fatores que governa a supercondutividade e causa a temperatura crítica mais baixa dos niquelados", disse ela. "Podemos procurar maneiras de otimizar essa característica."

Botana e colegas Kwan-Woo Lee, Michael R. Norman, Victor Pardo, Warren E. Pickett descreveram algumas dessas diferenças em um artigo de revisão para Frontiers in Physics em fevereiro de 2022.

Procurando as causas da supercondutividade

Escrevendo na Revisão Física X em março de 2022, Botana e colaboradores do Brookhaven National Laboratory e do Argonne National Labs aprofundaram o papel dos estados de oxigênio no niquelado de baixa valência La₄ Ni₃ O₈ . Usando métodos computacionais e experimentais, eles compararam o material a um cuprato prototípico com um preenchimento de elétrons semelhante. O trabalho foi único na medida em que mediu diretamente a energia dos estados hibridizados de níquel-oxigênio.

Eles descobriram que, apesar de exigir mais energia para transferir cargas, os niquelados mantinham uma capacidade considerável de supertroca. Eles concluem que tanto as "interações de Coulomb" (a atração ou repulsão de partículas ou objetos por causa de sua carga elétrica) quanto os processos de transferência de carga precisam ser considerados ao interpretar as propriedades dos niquelados.

Os fenômenos quânticos que Botana estuda ocorrem nas menores escalas conhecidas e só podem ser sondados obliquamente por experimentos físicos (como na Revisão Física X papel). Botana usa simulações computacionais para fazer previsões, ajudar a interpretar experimentos e deduzir o comportamento e a dinâmica de materiais como o niquelado de camada infinita.

Sua pesquisa usa a Teoria Funcional da Densidade, ou DFT - um meio de resolver computacionalmente a equação de Schrödinger que descreve a função de onda de um sistema de mecânica quântica - bem como uma ramificação mais nova e mais precisa conhecida como teoria do campo médio dinâmico que pode tratar elétrons que estão fortemente correlacionados.

Para realizar sua pesquisa, Botana usa o supercomputador Stampede2 do Texas Advanced Computing Center (TACC) – o segundo mais rápido em qualquer universidade nos EUA – bem como máquinas da Arizona State University. Mesmo nos supercomputadores mais rápidos do mundo, estudar materiais quânticos não é uma tarefa simples.

"Se vejo um problema com muitos átomos, digo:'não posso estudar isso'", disse Botana. "Vinte anos atrás, alguns átomos poderiam parecer demais." Mas supercomputadores mais poderosos estão permitindo que os físicos estudem sistemas maiores e mais complicados – como os niquelados – e adicionem ferramentas, como a teoria do campo médio dinâmico, que pode capturar melhor o comportamento quântico.

Apesar de viver em uma Era de Ouro das Descobertas, o campo da física da matéria condensada ainda não tem a reputação que merece, diz Botana.

"Seu telefone ou computador não seria possível sem pesquisa em física da matéria condensada - da tela à bateria, à pequena câmera. É importante que o público entenda que, mesmo que seja uma pesquisa fundamental, e mesmo que os pesquisadores não Não sei como será usado mais tarde, esse tipo de pesquisa em materiais é fundamental." + Explorar mais

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