Tecnologia Científica

Os fa­sicos descobrem os segredos do supercondutor mais fino do mundo
O trabalho, liderado por um professor do MIT e um fa­sico do Laborata³rio Nacional de Brookhaven, foi possí­vel graças a  nova instrumentaa§a£o dispona­vel em apenas algumas instalaa§aµes no mundo.
Por Elizabeth A. Thomson - 27/05/2021


Parte do instrumento de difusão inela¡stica ressonante de raios-X (RIXS) da Diamond Light Source (Reino Unido) que foi usado para descobrir segredos do supercondutor mais fino do mundo. Crédito: Diamond Light Source

Fa­sicos de três continentes relatam a primeira evidência experimental para explicar o comportamento eletra´nico incomum por trás do supercondutor mais fino do mundo, um material com inaºmeras aplicações porque conduz eletricidade de forma extremamente eficiente. Nesse caso, o supercondutor tem apenas uma camada atômica de espessura.

O trabalho, liderado por um professor do MIT e um fa­sico do Laborata³rio Nacional de Brookhaven, foi possí­vel graças a  nova instrumentação dispona­vel em apenas algumas instalações no mundo. Os dados resultantes podem ajudar a orientar o desenvolvimento de melhores supercondutores. Esses, por sua vez, poderiam transformar os campos de diagnóstico médico, computação qua¢ntica e transporte de energia , que usam supercondutores.

O assunto do trabalho pertence a uma excitante classe de supercondutores que se tornam supercondutores em temperaturas uma ordem de magnitude mais altas do que suas contrapartes convencionais, tornando-os mais fa¡ceis de usar em aplicações. Supercondutores convencionais funcionam apenas em temperaturas em torno de 10 Kelvin, ou -442 Fahrenheit.

Esses chamados supercondutores de alta temperatura, entretanto, ainda não são totalmente compreendidos. "Suas excitações microsca³picas e dina¢mica são essenciais para a compreensão da supercondutividade, mas após 30 anos de pesquisa, muitas questões ainda estãoem aberto", disse Riccardo Comin, professor assistente de Fa­sica da Classe de Desenvolvimento de Carreira de 1947 no MIT. O novo trabalho, relatado na edição de 25 de maio de 2021 da Nature Communications , ajuda a responder a essas perguntas.

Jonathan Pelliciari, um fa­sico assistente no Laborata³rio Nacional de Brookhaven, com
parte do instrumento de espalhamento inela¡stico ressonante de raios-X (RIXS) no
BNL. Pelliciari éo principal autor de um estudo que usou RIXS para descobrir
segredos do supercondutor mais fino do mundo. Ele era um pa³s-doutorado
do MIT quando o trabalho foi realizado. Crédito:
Laborata³rio Nacional de Brookhaven

Supercondutor mais fino do mundo

Em 2015, os cientistas descobriram um novo tipo de supercondutor de alta temperatura: uma folha de seleneto de ferro com apenas uma camada atômica de espessura capaz de superconduzir a 65 Kelvin. Em contraste, as amostras em massa do mesmo material superconduzem a uma temperatura muito mais baixa (8 Kelvin). A descoberta "gerou uma onda de investigação para decodificar os segredos do supercondutor mais fino do mundo", diz Comin, que também éafiliado ao Laborata³rio de Pesquisa de Materiais do MIT.

Em um metal normal, os elanãtrons se comportam de maneira muito semelhante a  das pessoas que dançam em uma sala. Em um metal supercondutor, os elanãtrons se movem em pares, como casais em uma dança. “E todos esses pares se movem em una­ssono, como se fizessem parte de uma coreografia qua¢ntica, levando a uma espanãcie de superfluido eletra´nico”, diz Comin.

Mas qual éa interação, ou "cola", que mantanãm esses pares de elanãtrons juntos? Os cientistas sabem hámuito tempo que, nos supercondutores convencionais, essa cola éderivada do movimento dos a¡tomos dentro de um material. “Se vocêolhar para um sãolido sentado em uma mesa, ele não parece estar fazendo nada”, diz Comin. No entanto, "muita coisa estãoacontecendo em nanoescala. Dentro desse material, os elanãtrons estãovoando em todas as direções possa­veis e os a¡tomos estãochacoalhando; eles estãovibrando." Em supercondutores convencionais, os elanãtrons usam a energia armazenada nesse movimento ata´mico para formar pares.

A cola por trás do emparelhamento de elanãtrons em supercondutores de alta temperatura édiferente. Os cientistas teorizaram que essa cola estãorelacionada a uma propriedade dos elanãtrons chamada spin (outra propriedade mais familiar dos elanãtrons ésua carga). O spin pode ser considerado um a­ma£ elementar, diz Pelliciari. A ideia éque, em um supercondutor de alta temperatura, os elanãtrons podem captar parte da energia desses spins, conhecidas como excitações de spin. E essa energia éa cola que eles usam para formar pares.

Atéagora, a maioria dos fa­sicos pensava que seria impossí­vel detectar ou medir excitações de spin em um material com apenas uma camada atômica de espessura. Essa éa realização nota¡vel do trabalho relatado na Nature Communications . Os fa­sicos não apenas detectaram excitações de spin, mas, entre outras coisas, também mostraram que a dina¢mica de spin na amostra ultrafina era dramaticamente diferente daquela na amostra geral. Especificamente, a energia dos spins flutuantes na amostra ultrafina era muito maior - por um fator de quatro ou cinco - do que a energia dos spins na amostra global.

“Esta éa primeira evidência experimental da presença de excitações de spin em um material atomicamente fino”, diz Pelliciari.

Membros da equipe da Diamond Light Source (Reino Unido), que abriga o instrumento
de difusão inela¡stica ressonante de raios-X (RIXS) usado para descobrir segredos do
supercondutor mais fino do mundo. Da esquerda para a direita: Jaewon Choi (pa³s-
doutorado), Abhishek Nag (pa³s-doutorado), Mirian Garcia Fernandez (cientista da
Beamline), Charles Tam (estudante de doutorado conjunto), Thomas Rice (tanãcnico
da Beamline), Ke-Jin Zhou (cientista principal da Beamline), Stefano Agrestini
(Cientista da Beamline). Crédito: Diamond Light Source

Equipamento de última geração

Historicamente, o espalhamento de naªutrons tem sido usado para estudar o magnetismo. Como o spin éa propriedade fundamental do magnetismo, o espalhamento de naªutrons parece ser uma boa sonda experimental. “O problema éque o espalhamento de naªutrons não funciona em um material com apenas uma camada atômica de espessura”, diz Pelliciari.

Digite o espalhamento inela¡stico de raios-X ressonante (RIXS), uma nova técnica experimental que Pelliciari ajudou a criar.

Ele e Comin discutiram o potencial de usar RIXS para estudar a dina¢mica de rotação do novo supercondutor ultrafino, mas Comin inicialmente foi canãtico. "Eu pensei, 'sim, seria a³timo se pudanãssemos fazer isso, mas experimentalmente seráquase impossí­vel'", lembra Comin. "Eu pensei que era um verdadeiro lunar." Como resultado, "quando Johnny coletou os primeiros resultados, foi alucinante para mim. Mantive minhas expectativas baixas, então, quando vi os dados, pulei na minha cadeira."

Apenas algumas instalações no mundo possuem instrumentos RIXS avana§ados. Um deles, localizado na Diamond Light Source (Reino Unido) e liderado pelo Dr. Zhou, éonde a equipe conduziu seu experimento. Outro, que ainda estava em construção na anãpoca do experimento, estãono Laborata³rio Nacional de Brookhaven. Pelliciari agora faz parte da equipe que administra a instalação RIXS, conhecida como Beamline SIX, na Fonte de Luz Sa­ncrotron Nacional II localizada no Laborata³rio de Brookhaven.

"O impacto deste trabalho éduplo", disse o Dr. Thorsten Schmitt, chefe do Grupo de Espectroscopia de Materiais Novos do Instituto Paul Scherrer na Sua­a§a. Schmitt não estava envolvido no trabalho. "Do lado experimental, éuma demonstração impressionante da sensibilidade do RIXS a s excitações de spin em um material supercondutor com apenas uma camada atômica de espessura. Além disso, [os dados resultantes] devem contribuir para a compreensão do aprimoramento do supercondutor temperatura de transição em tais supercondutores finos. " Em outras palavras, o trabalho pode levar a supercondutores ainda melhores .

Diz Valentina Bisogni, cientista-chefe do Beamline SIX, "a compreensão da supercondutividade não convencional éum dos principais desafios enfrentados pelos cientistas hoje. A recente descoberta da supercondutividade de alta temperatura em um filme fino de monocamada de seleneto de ferro renovou o interesse no sistema de seleneto de ferro, pois fornece uma nova rota para investigar os mecanismos que possibilitam a supercondutividade em alta temperatura.

"Neste contexto, o trabalho de Pelliciari et al. Apresenta um estudo comparativo esclarecedor de seleneto de ferro em massa e seleneto de ferro de monocamada fina, revelando uma reconfiguração drama¡tica das excitações de spin." Bisogni não estava envolvido no trabalho de Pelliciari.

 

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