Um supercondutor de alta temperatura com resistência zero que exibe um estranho comportamento metálico

Pesquisadores da Universidade de Zhejiang e da Universidade Sun Yat-Sen reuniram evidências de supercondutividade em alta temperatura com resistência zero e comportamento metálico estranho em um material identificado em seus estudos anteriores.

Suas descobertas, publicadas em Física da Naturezadestacam a promessa deste material para estudar essas propriedades físicas raras e, em última análise, aproveitá-las para desenvolver dispositivos eletrônicos inovadores.

“A supercondutividade de alta temperatura é um dos quebra-cabeças mais intrigantes no campo da física da matéria condensada”, disse o professor Huiqiu Yuan, líder do projeto deste trabalho, ao Phys.org.

“Ele tem o potencial de revolucionar a tecnologia ao permitir a criação de eletrônicos supercondutores resfriados por nitrogênio líquido (acima de -195,8 °C ou 77,4 K). Consequentemente, a busca por supercondutores com altas temperaturas de transição e a compreensão de seus mecanismos estão entre os objetivos mais atraentes na física da matéria condensada.”

Supercondutores de alta temperatura são materiais muito procurados, pois poderiam auxiliar no desenvolvimento de uma nova classe de eletrônicos. Como resultado, quaisquer indicações de supercondutividade em alta temperatura muitas vezes atraem atenção significativa, tanto de pesquisadores quanto de empresas eletrônicas.

Em 2023, uma equipe de pesquisa da Universidade Sun Yat-Sen liderada pelo Prof Meng Weng relatou assinaturas de supercondutividade em temperaturas abaixo de 80 K em La₃Em₂Ó₇, um material de níquel a granel. Como 80 K está acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido, essa descoberta por si só foi um avanço, mas também apresentou algumas limitações.

“Uma desvantagem significativa na descoberta inicial do Prof Wang foi a ausência de resistência zero, a característica mais distintiva de um supercondutor”, disse o Prof Yuan.

“Embora o principal desafio seja que a supercondutividade de alta temperatura neste material só é observada quando sujeito a uma pressão de pelo menos 14 gigapascais (quase 140.000 atmosferas). Portanto, medições de alta precisão e dispositivos especializados de alta pressão são essenciais para futuras investigações .”

Para examinar La₃Em₂Ó₇ além disso, os pesquisadores da Universidade Sun Yat-Sen se uniram ao grupo do Prof. Yuan no Centro de Matéria Correlacionada (CCM) da Universidade de Zhejuang, especializado no estudo de materiais fortemente correlacionados sob condições extremas.

O professor Yuan reconheceu que a ausência de resistência zero no relatório inicial do professor Wang poderia ser atribuída às heterogeneidades da própria amostra, bem como às condições de pressão causadas pelo meio de pressão sólido do pó de KBr.

Os investigadores decidiram então realizar um novo estudo investigando as propriedades do material utilizando uma nova amostra e diferentes condições de pressão. Especificamente, o professor Yuan propôs o uso de amostras minúsculas e melhores condições de pressão hidrostática, pois esses elementos poderiam representar a chave para observar a resistência zero.

“Coincidentemente, nossa equipe melhorou recentemente a técnica de alta pressão, aplicando um meio de pressão líquido em uma bigorna de diamante, adequada para criar pressão homogênea (hidrostática), e fazendo contatos elétricos em uma pequena amostra de 100 mm de comprimento usando pasta de prata, ” O professor Lin Jiao, um dos co-autores correspondentes do artigo e membro do corpo docente do Center for Cor Related Matter, explicou.

“Ao medir a resistência elétrica de La₃Em₂Ó₇ em altas pressões usando este método, observamos uma queda acentuada na resistência quando resfriado abaixo de 66 K, indicando o início da supercondutividade.”

Os pesquisadores resfriaram ainda mais o material e descobriram que sua resistência atingiu zero abaixo de -40 K. O experimento reuniu evidências de que La₃Em₂Ó₇ exibe supercondutividade de alta temperatura sob pressão. Após a divulgação do seu artigo, os cientistas ficaram confiantes de que La₃Em₂Ó₇ é verdadeiramente um supercondutor de alta temperatura.

“O principal desafio no estudo de La₃Em₂Ó₇ reside em sua composição química metaestável”, disse o Prof. Yuan.

“Isso leva à expectativa de numerosos defeitos cristalinos, limites de fase, interfaces e coexistência de diferentes composições dentro de La₃Em₂Ó₇ mesmo em escala micrométrica. Para resolver esses problemas, pequenos cristais únicos (aproximadamente 100*100*20 micrômetros) foram medidos e uma pressão quase hidrostática foi aplicada como mencionado anteriormente.”

Essencialmente, o professor Yuan e seus colegas colocaram um pequeno pedaço de um único cristal do material entre as bigornas de dois diamantes, preenchendo a junta embutida nessas faces da bigorna com um meio líquido. Eles colaram de quatro a cinco fios de Au, cada um com aproximadamente 15 micrômetros de espessura, na superfície da amostra usando pasta de prata, para garantir um bom contato elétrico.

Posteriormente, os pesquisadores aplicaram alta pressão à amostra, que a comprimiu e depois a resfriou até alguns Kelvins. Medindo a resistência da amostra em conjunto com a temperatura e a pressão em que se encontrava, eles demonstraram a sua resistência zero.

“Nossa descoberta mais significativa e digna de nota é que a resistência de La₃Em₂Ó₇ começa a cair drasticamente após o resfriamento abaixo de 66 K e atinge zero por volta de 40 K”, disse o professor Yuan. “Este experimento fornece evidências cruciais e convincentes de que La₃Em₂Ó₇ é um supercondutor de alta temperatura, juntando-se às fileiras dos supercondutores não convencionais de alta temperatura ao lado dos cupratos e dos pnictídeos de ferro.”

Além de reunir evidências de supercondutividade em alta temperatura com resistência zero em La₃Em₂Ó₇, este estudo recente oferece uma visão sobre a física subjacente a este estado. Na verdade, os pesquisadores observaram um comportamento estranho e claro do metal em sua amostra sob pressão, revelando uma ligação entre esse comportamento e a supercondutividade.

“O termo ‘metal estranho’ refere-se a materiais, a maioria dos quais exibe supercondutividade não convencional e/ou uma transição de fase quântica de temperatura zero após ajuste por um parâmetro não térmico, que não pode ser descrito pelo nosso conhecimento existente baseado no teorema de Landau,” Prof Yuan disse.

“Isso sugere um afastamento do comportamento convencional dos portadores de carga, que não parecem mais agir simplesmente como elétrons. Uma característica típica de metais estranhos, como observamos em La₃Em₂Ó₇é uma resistência linear versus temperatura (resistência linear T).”

Enquanto o₃Em₂Ó₇ exibe um comportamento metálico estranho, o mecanismo subjacente à sua supercondutividade deve ser drasticamente diferente daquele descrito pela teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), que explica a supercondutividade típica de metais e ligas simples. O professor Yuan e seus colegas acreditam que suas descobertas também podem ser aplicadas a outros supercondutores não convencionais que apresentam comportamento metálico estranho.

“Também descobrimos que o coeficiente Hall inverso sofre um aumento pronunciado ao cruzar a transição de fase estrutural induzida pela pressão, sugerindo que a modificação da estrutura eletrônica na fase de alta pressão é crucial para o aparecimento da supercondutividade”, disse o professor Yuan.

Este estudo recente do Prof Yuan, Prof Weng e suas respectivas equipes abre novas oportunidades interessantes para o estudo da supercondutividade de alta temperatura e sua aplicação na eletrônica. Os pesquisadores planejam continuar investigando a física de La₃Em₂Ó₇ao mesmo tempo que examina outros supercondutores não convencionais.

“Nossa compreensão desta nova família de supercondutores de alta temperatura ainda está em seus estágios iniciais e há muito trabalho a ser feito”, disse o professor Yuan. “Conforme demonstrado neste e em outros estudos, a supercondutividade nos niquelatos parece ser extremamente sensível à composição atômica, principalmente quando há deficiências no número de átomos de oxigênio”.

As semelhanças observadas entre a supercondutividade de diferentes niquelatos e a de outras famílias relatadas de supercondutores de alta temperatura sugerem a possibilidade de que os niquelatos também possam ser supercondutores em altas temperaturas, mas potencialmente sem exigir altas pressões.

Nos seus próximos estudos, os investigadores planeiam identificar compostos candidatos mais adequados, o que poderá permitir-lhes descobrir os principais ingredientes da supercondutividade em termos de composição química e estrutura cristalina.

“Nós [have] vem melhorando a qualidade da amostra de La₃Em₂Ó₇ e a busca por outros materiais relacionados, pois isso permitiria realizar mais medições, incluindo o parâmetro de ordem, a relação entre supercondutividade e transição de fase estrutural, e assim por diante”, disse o professor Meng Wang.

“Recentemente, evidências de supercondutividade em outros compostos de níquel, como La₄Em₃Ó₁₀, foi encontrado. Isto não apenas expande a família de supercondutores de níquel, mas também fornece um composto relativamente estável para estudo aprofundado. No entanto, melhorar a qualidade da amostra e reduzir a pressão necessária para a transição supercondutora continua a ser uma prioridade.”

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