Equipe de pesquisa usa pulsos de luz de terahertz para lançar luz sobre a desordem supercondutora

Uma equipe de pesquisadores do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD), em Hamburgo, Alemanha, e do Laboratório Nacional Brookhaven, nos Estados Unidos, demonstrou uma nova maneira de estudar a desordem em supercondutores usando pulsos de luz de terahertz.

Adaptando métodos usados ​​em ressonância magnética nuclear para espectroscopia de terahertz, a equipe foi capaz de acompanhar a evolução da desordem nas propriedades de transporte até a temperatura de transição supercondutora pela primeira vez. O estudo é publicado em Física da Natureza.

A importância da desordem na física só é igualada pela dificuldade de estudá-la. Por exemplo, as propriedades notáveis ​​de supercondutores de alta temperatura são grandemente afetadas por variações na composição química do sólido.

Técnicas que permitem medições dessa desordem e seu impacto nas propriedades eletrônicas, como a microscopia de tunelamento de varredura, funcionam apenas em temperaturas muito baixas e são cegas a essas físicas próximas à temperatura de transição.

A supercondutividade, um fenômeno quântico que permite que a corrente elétrica flua sem resistência, está entre os fenômenos mais importantes na física da matéria condensada devido ao seu impacto tecnológico transformador.

Muitos materiais que se tornam supercondutores nas chamadas “altas temperaturas” (em torno de -170°C), como os bem conhecidos supercondutores cuprato, derivam suas notáveis ​​propriedades da dopagem química, que introduz desordem. No entanto, o impacto exato dessa variação química em suas propriedades supercondutoras permanece obscuro.

Em supercondutores, e sistemas de matéria condensada de forma mais geral, a desordem é tipicamente estudada com experimentos apresentando resolução espacial precisa, como usando pontas metálicas extremamente afiadas. No entanto, a sensibilidade desses experimentos restringe sua aplicação a temperaturas de hélio líquido, muito abaixo da transição supercondutora, impedindo assim o estudo de muitas questões fundamentais relacionadas à transição em si.

Inspirando-se em técnicas de espectroscopia multidimensional desenvolvidas inicialmente para ressonância magnética nuclear e posteriormente adaptadas para frequências ópticas visíveis e ultravioleta por químicos que estudavam sistemas moleculares e biológicos, os pesquisadores do MPSD estenderam essa classe de técnicas para a faixa de frequências de terahertz, onde modos coletivos de sólidos ressoam.

Essa técnica envolve excitar sequencialmente um material de interesse com múltiplos pulsos intensos de terahertz, normalmente em uma geometria colinear na qual os pulsos viajam na mesma direção.

Para investigar o supercondutor cuprato La_1,83Sr_0,17CuO₄—um material opaco que transmite luz mínima—a equipe estendeu o esquema convencional implementando a espectroscopia terahertz bidimensional (2DTS) em uma geometria não colinear pela primeira vez, permitindo aos pesquisadores isolar não linearidades terahertz específicas por sua direção de emissão.

Com essa técnica 2DTS de ângulo resolvido, os pesquisadores observaram que o transporte supercondutor no cuprato foi reativado após a excitação pelos pulsos de terahertz, um fenômeno que eles chamaram de “ecos de Josephson”.

Surpreendentemente, esses ecos de Josephson revelaram que a desordem no transporte supercondutor era significativamente menor do que a desordem correspondente observada na lacuna supercondutora medida por técnicas espacialmente resolvidas, como experimentos de microscopia de varredura.

Além disso, a versatilidade da técnica 2DTS de ângulo resolvido permitiu que a equipe medisse a desordem perto da temperatura de transição supercondutora pela primeira vez, descobrindo que ela permaneceu estável até 70% relativamente quente da temperatura de transição.

Além de fornecer uma compreensão mais profunda das propriedades enigmáticas dos supercondutores de cuprato, os pesquisadores enfatizam que esses primeiros experimentos abrem a porta para muitas direções futuras emocionantes. Além de aplicar 2DTS de ângulo resolvido a outros supercondutores e materiais quânticos de forma mais ampla, a natureza ultrarrápida do 2DTS o torna aplicável a estados transitórios de matéria de vida muito curta para sondagens convencionais de desordem.