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Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram novos detalhes sobre os elétrons em uma família de materiais supercondutores à base de níquel. A pesquisa, descrita em dois artigos publicados na Revisão Física X, revela que esses materiais à base de níquel têm certas semelhanças com – e diferenças importantes em relação aos – supercondutores à base de cobre. A comparação dos dois tipos de supercondutores de “alta temperatura” pode ajudar os cientistas a identificar os principais recursos essenciais para a notável capacidade desses materiais de transportar corrente elétrica sem perder energia na forma de calor.
“A busca para entender os supercondutores de alta temperatura é um desafio de décadas”, disse Mark Dean, do Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência de Materiais do Brookhaven Lab, que liderou a pesquisa descrita em ambos os artigos. Desde que os supercondutores à base de cobre, ou cuprato, foram descobertos na década de 1980, os cientistas tentam entender o que os faz funcionar.
O interesse é impulsionado em grande parte pelo seu potencial para aplicações de economia de energia. Imagine linhas de energia que fornecem eletricidade para residências longe de parques eólicos e solares sem perder um pingo de energia, e computadores e outros dispositivos que funcionam perfeitamente sem a necessidade de refrigeração cara e intensiva em energia.
O problema é que, apesar de seu apelido de “alta temperatura”, os próprios supercondutores de cuprato devem ser mantidos extremamente frios para operar – bem abaixo de zero graus Fahrenheit. Descobrir o que permite que os elétrons nesses materiais superem sua repulsão normal de “carga semelhante” e fluam sem resistência talvez possa apontar o caminho para supercondutores que operam mais próximos das condições do mundo real.
“Esses materiais também são um teste para os esforços para entender outros materiais quânticos onde os elétrons interagem muito fortemente”, disse Steven Johnston, teórico da Universidade do Tennessee e coautor do artigo. “Você poderia argumentar razoavelmente que este é o problema em aberto mais importante na física dos materiais.”
análogos de níquel
Como parte da busca para resolver o caso dos cupratos, os cientistas procuraram análogos – compostos supercondutores semelhantes que poderiam estudar e comparar para fornecer pistas para melhorar as propriedades.
“Talvez, se você apenas ajustar alguma coisa, você pode fazer uma propriedade como a temperatura da transição para a supercondutividade mais alta, ou você pode fazer materiais com elementos mais baratos para aplicações”, disse Yao Shen, pesquisador de pós-doutorado em Brookhaven e primeiro autor de as publicações.
O níquel foi uma escolha lógica. Sua proximidade com o cobre na tabela periódica implica que os compostos feitos desses metais de transição vizinhos podem operar de maneiras semelhantes, mas com diferenças suficientes para apontar o que é essencial para a supercondutividade.
Mas mesmo antes de os cientistas da Universidade de Stanford criarem com sucesso um supercondutor à base de níquel em 2019, outros se perguntavam se os compostos de níquel poderiam ser considerados verdadeiros análogos dos cupratos. Uma vez que os niquelados foram sintetizados, a busca para descobrir começou.
“Ver” o comportamento eletrônico
Esses estudos usaram raios-x no National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) do Brookhaven Lab, uma instalação do DOE Office of Science que permite pesquisas sobre a estrutura microscópica, química e outras propriedades de todos os tipos de materiais. A equipe usou a linha de luz Soft Inelastic X-Ray (SIX), dirigida pelos colaboradores do estudo Valentina Bisogni e Jonathan Pelliciari, para comparar as propriedades eletrônicas de um supercondutor de níquel em camadas (La4Ni3O8) com os de um conhecido cuprato (La2?xSrxCuO4).
Eles queriam saber quais elétrons (de quais elementos) em cada composto contribuem para a supercondutividade e outras propriedades eletrônicas, incluindo a presença de uma “onda de densidade de carga”. Esse padrão ordenado de elétrons pode desempenhar um papel na geração da supercondutividade do material.
“Os cientistas têm evidências de que a supercondutividade em cupratos está associada a interações magnéticas muito fortes entre os íons de cobre”, disse Michael Norman, um cientista colaborador do Argonne National Laboratory. “Portanto, além de comparar os elétrons envolvidos na supercondutividade nesses dois materiais, também queríamos procurar evidências de interações magnéticas entre os íons de níquel nesses niquelados e entender quais elementos contribuem com elétrons que formam as ondas de carga e densidade magnética em esses materiais”.
A linha de luz SIX, com sua resolução de energia líder mundial, permite que os cientistas “vejam” esses detalhes de escala subatômica ajustando a energia de raios-x com precisão para os elementos individuais na amostra usando uma técnica chamada dispersão de raios-x ressonante inelástica (RIXS ).
“Podemos sintonizar nossa energia de raios-x para ressoar com o oxigênio ou níquel ou outros elementos e então podemos ver as propriedades eletrônicas desses elementos específicos”, disse Dean. “Usamos isso juntamente com cálculos teóricos para obter uma imagem detalhada de como esses materiais funcionam eletronicamente”.
Principais semelhanças e diferenças
As descobertas indicam semelhanças substanciais entre os supercondutores de níquel e cuprato – e algumas diferenças.
Por exemplo, os cientistas descobriram que em ambos os conjuntos de materiais, o metal de transição (cobre ou níquel) e o oxigênio contribuem para as propriedades eletrônicas dos materiais, mas as interações magnéticas entre os átomos de níquel, mediadas pelos oxigênios intervenientes, são ligeiramente mais fracas do que as interações magnéticas mediadas por oxigênio entre átomos de cobre nos cupratos.
“Os cupratos têm uma energia muito boa e bem alinhada entre o cobre e o oxigênio, e é por isso que eles são fortemente magnéticos”, disse Shen. “Uma coisa semelhante acontece nos compostos de níquel apenas em uma extensão um pouco menos perfeita”.
Os cientistas encontraram algumas diferenças importantes nas propriedades eletrônicas que contribuem para a geração da ordem de carga – a onda de densidade de carga – nas duas classes de supercondutores. Acontece que a onda de densidade de carga no niquelato é muito mais complexa do que a do cuprato, proveniente das interações combinadas de todos os diferentes elementos do material.
“Essas descobertas indicam que os compostos de níquel são promissores para aprender mais sobre como os cupratos funcionam e indicam as diferentes maneiras pelas quais você pode querer alterar os compostos de níquel para torná-los mais parecidos com os cupratos – para ter magnetismo mais forte ou supercondutividade mais forte, ” disse Jennifer Sears, pesquisadora de pós-doutorado em Brookhaven.
“Os raios-X estão realmente mostrando seu poder na investigação desses tipos de problemas. Os recursos do NSLS-II nos possibilitaram trabalhar essa física rapidamente de uma forma que não teria sido o caso sem essa nova geração dos instrumentos RIXS”, observou o colaborador Matteo Mitrano, da Universidade de Harvard.
Os próximos passos incluem explorar as contribuições dos elementos de terras raras – lantânio, estrôncio e outros – para as propriedades desses materiais.
“A camada de terras raras não é considerada eletronicamente ativa nos cupratos, mas essa é uma questão em aberto nos materiais à base de níquel”, disse Dean.
As ferramentas do NSLS-II também permitirão explorar essa questão.
Co-autores adicionais neste trabalho incluíram John Mitchell do Argonne National Laboratory, que junto com Junjie Zhang forneceu as amostras de material que foram preparadas usando técnicas únicas de crescimento de cristal de alta pressão, e o especialista em espectroscopia de raios-x Gilberto Fabbris, que também está baseado em Argonne . A pesquisa e as instalações utilizadas foram financiadas pelo DOE Office of Science (BES).
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