Traduzido e adaptado por Mateus Lynniker de Phys.org
Sob certas condições – geralmente extremamente frias – alguns materiais mudam sua estrutura para desbloquear um novo comportamento supercondutor. Essa mudança estrutural é conhecida como “transição nemática”, e os físicos suspeitam que ela oferece uma nova maneira de levar os materiais a um estado supercondutor, onde os elétrons podem fluir totalmente sem atrito.
Mas o que exatamente impulsiona essa transição em primeiro lugar? A resposta pode ajudar os cientistas a melhorar os supercondutores existentes e descobrir novos.
Agora, os físicos do MIT identificaram a chave de como uma classe de supercondutores passa por uma transição nemática, e é um contraste surpreendente com o que muitos cientistas haviam assumido.
Os físicos fizeram sua descoberta estudando o seleneto de ferro (FeSe), um material bidimensional que é o supercondutor à base de ferro de temperatura mais alta. O material é conhecido por mudar para um estado supercondutor em temperaturas de até 70 kelvins (perto de -300 graus Fahrenheit). Embora ainda ultrafria, essa temperatura de transição é mais alta que a da maioria dos materiais supercondutores.
Quanto maior a temperatura na qual um material pode exibir supercondutividade, mais promissor ele pode ser para uso no mundo real, como para a realização de eletroímãs poderosos para máquinas de ressonância magnética mais precisas e leves ou trens de levitação magnética de alta velocidade.
Para essas e outras possibilidades, os cientistas primeiro precisam entender o que impulsiona um interruptor nemático em supercondutores de alta temperatura, como o seleneto de ferro. Em outros materiais supercondutores à base de ferro, os cientistas observaram que essa mudança ocorre quando os átomos individuais repentinamente mudam seu giro magnético em direção a uma direção magnética preferencial coordenada.
Mas a equipe do MIT descobriu que o seleneto de ferro muda por meio de um mecanismo totalmente novo. Em vez de sofrer uma mudança coordenada nos spins, os átomos do seleneto de ferro passam por uma mudança coletiva em sua energia orbital. É uma distinção sutil, mas que abre uma nova porta para a descoberta de supercondutores não convencionais.
“Nosso estudo reorganiza um pouco as coisas quando se trata do consenso que foi criado sobre o que impulsiona a nematicidade”, diz Riccardo Comin, professor associado de desenvolvimento de carreira de 1947 de física no MIT. “Existem muitos caminhos para chegar à supercondutividade não convencional. Isso oferece um caminho adicional para realizar estados supercondutores.”
Comin e seus colegas publicaram seus resultados em um estudo publicado na Nature Materials . Os co-autores do MIT incluem Connor Occhialini, Shua Sanchez e Qian Song, juntamente com Gilberto Fabbris, Yongseong Choi, Jong-Woo Kim e Philip Ryan no Argonne National Laboratory.
Seguindo o tópico
A palavra “nematicidade” deriva da palavra grega “nema”, que significa “fio” – por exemplo, para descrever o corpo semelhante a um fio do verme nematóide. A nematicidade também é usada para descrever tópicos conceituais, como fenômenos físicos coordenados. Por exemplo, no estudo de cristais líquidos, o comportamento nemático pode ser observado quando as moléculas se agrupam em linhas coordenadas.
Nos últimos anos, os físicos usaram a nematicidade para descrever uma mudança coordenada que leva um material a um estado supercondutor. As fortes interações entre os elétrons fazem com que o material como um todo se estique infinitesimalmente, como um caramelo microscópico, em uma direção específica que permite que os elétrons fluam livremente nessa direção. A grande questão tem sido que tipo de interação causa o alongamento. Em alguns materiais à base de ferro, esse alongamento parece ser conduzido por átomos que mudam espontaneamente seus spins magnéticos para apontar na mesma direção. Os cientistas, portanto, assumiram que a maioria dos supercondutores à base de ferro faz a mesma transição impulsionada pelo spin.
Mas o seleneto de ferro parece contrariar essa tendência. O material, que passa para um estado supercondutor na temperatura mais alta de qualquer material à base de ferro, também parece não ter nenhum comportamento magnético coordenado.
“O seleneto de ferro tem a história menos clara de todos esses materiais”, diz Sanchez, que é um pós-doutorando do MIT e NSF MPS-Ascend Fellow. “Nesse caso, não há ordem magnética. Portanto, entender a origem da nematicidade requer observar com muito cuidado como os elétrons se organizam em torno dos átomos de ferro e o que acontece quando esses átomos se separam.”
Um super contínuo
Em seu novo estudo, os pesquisadores trabalharam com amostras ultrafinas e milimétricas de seleneto de ferro, que colaram a uma fina tira de titânio. Eles imitaram o alongamento estrutural que ocorre durante uma transição nemática, esticando fisicamente a tira de titânio, que por sua vez esticou as amostras de seleneto de ferro. À medida que esticavam as amostras em uma fração de mícron de cada vez, eles procuravam quaisquer propriedades que mudassem de maneira coordenada.
Usando raios-X ultrabrilhantes, a equipe rastreou como os átomos em cada amostra estavam se movendo, bem como o comportamento dos elétrons de cada átomo. Depois de um certo ponto, eles observaram um deslocamento definido e coordenado nos orbitais dos átomos. Orbitais atômicos são essencialmente níveis de energia que os elétrons de um átomo podem ocupar. No seleneto de ferro, os elétrons podem ocupar um dos dois estados orbitais ao redor de um átomo de ferro. Normalmente, a escolha de qual estado ocupar é aleatória.
Mas a equipe descobriu que, ao esticar o seleneto de ferro, seus elétrons começaram a preferir predominantemente um estado orbital ao outro. Isso sinalizou uma mudança clara e coordenada, juntamente com um novo mecanismo de nematicidade e supercondutividade.
“O que mostramos é que existem diferentes físicas subjacentes quando se trata de spin versus nematicidade orbital, e haverá um continuum de materiais entre os dois”, diz Occhialini, um estudante de pós-graduação do MIT. “Entender onde você está nessa paisagem será importante na busca de novos supercondutores.”
