Avanços dramáticos na computação quântica, smartphones que só precisam ser carregados uma vez por mês, trens que levitam e se movem em velocidades super rápidas. Saltos tecnológicos como esses podem revolucionar a sociedade, mas permanecem fora de alcance enquanto a supercondutividade – o fluxo de eletricidade sem resistência ou desperdício de energia – não for totalmente compreendida.
Uma das principais limitações para aplicações no mundo real dessa tecnologia é que os materiais que possibilitam a supercondução geralmente precisam estar em temperaturas extremamente baixas para atingir esse nível de eficiência elétrica. Para contornar esse limite, os pesquisadores precisam construir uma imagem clara de como são os diferentes materiais supercondutores na escala atômica, à medida que passam por diferentes estados da matéria para se tornarem supercondutores.
Estudiosos em um laboratório da Brown University, trabalhando com uma equipe internacional de cientistas, deram um pequeno passo mais perto de desvendar esse mistério para uma família recentemente descoberta de metais Kagome supercondutores. Em um novo estudo, eles usaram uma nova estratégia inovadora combinando imagens de ressonância magnética nuclear e uma teoria de modelagem quântica para descrever a estrutura microscópica desse supercondutor a 103 graus Kelvin, o que equivale a cerca de 275 graus abaixo de 0 graus Fahrenheit.
Os pesquisadores descreveram as propriedades desse bizarro estado da matéria pelo que se acredita ser a primeira vez em Pesquisa de revisão física. Em última análise, as descobertas representam uma nova conquista em uma marcha constante em direção aos supercondutores que operam em temperaturas mais altas. Supercondutores que podem operar em temperatura ambiente (ou próximo a ela) são considerados o santo graal da física da matéria condensada por causa das tremendas oportunidades tecnológicas que abririam na eficiência energética, inclusive na transmissão de eletricidade, transporte e computação quântica.
“Se você pretende projetar algo e torná-lo comercial, precisa saber como controlá-lo”, disse a professora de física de Brown Vesna Mitrovi?, que lidera um grupo de RMN de matéria condensada na Universidade e é coautora do estudo novo estudo. “Como o descrevemos? Como o ajustamos para obter o que queremos? Bem, o primeiro passo é que você precisa saber quais são os estados microscopicamente. Você precisa começar a construir uma imagem completa disso. “
O novo estudo se concentra no supercondutor RbV3Sb5, feito dos metais rubídio, vanádio e antimônio. O material ganha seu homônimo por causa de sua estrutura atômica peculiar, que se assemelha a um padrão de cestaria que apresenta triângulos em forma de estrela interconectados. Os materiais Kagome fascinam os pesquisadores por causa da visão que fornecem sobre os fenômenos quânticos, unindo dois dos campos mais fundamentais da física – física quântica topológica e física da matéria condensada.
Trabalhos anteriores de diferentes grupos estabeleceram que esse material passa por uma cascata de diferentes transições de fase quando a temperatura é reduzida, formando diferentes estados da matéria com diferentes propriedades exóticas. Quando este material é levado a 103 graus Kelvin, a estrutura da treliça muda e o material exibe o que é conhecido como onda de densidade de carga, onde a densidade de carga elétrica salta para cima e para baixo. Compreender esses saltos é importante para o desenvolvimento de teorias que descrevem o comportamento de elétrons em materiais quânticos como supercondutores.
O que não havia sido visto antes nesse tipo de metal Kagome era como a estrutura física dessa rede e ordem de carga parecia na temperatura que os pesquisadores estavam observando, que é o estado de temperatura mais alta em que o metal começa a fazer a transição entre diferentes estados da matéria. .
Usando uma nova estratégia que combina medições de NMR e uma teoria de modelagem conhecida como teoria do funcional da densidade, usada para simular a estrutura elétrica e a posição dos átomos, a equipe conseguiu descrever a nova estrutura em que a rede se transforma e sua onda de densidade de carga.
Eles mostraram que a estrutura se move de um padrão 2x2x1 com um padrão de estrela de David para um padrão 2x2x2. Isso acontece porque a rede Kagome se inverte quando a temperatura fica extremamente fria. A nova estrutura para a qual ele transita é composta em grande parte por hexágonos e triângulos separados, mostraram os pesquisadores. Eles também mostraram como esse padrão se conecta quando eles pegam um plano da estrutura RbV3Sb5 e o giram, “olhando” para ele de um ângulo diferente.
“É como se esta Kagome agora se tornasse essas coisas complicadas que se dividem em duas,” Mitrovi? disse. “Ele estica a treliça para que o Kagome se torne essa combinação de hexágonos e triângulos em um plano e depois no próximo plano, depois de girá-lo meio círculo, ele se repete.”
Sondar essa estrutura atômica é um passo necessário para fornecer um retrato completo dos estados exóticos da matéria para os quais esse material supercondutor transita, disseram os pesquisadores. Eles acreditam que as descobertas levarão a novas investigações sobre se essa formação e suas propriedades podem ajudar na supercondutividade ou se é algo que deve ser suprimido para produzir melhores supercondutores. A nova técnica única que eles usaram também permitirá que os pesquisadores respondam a um novo conjunto de perguntas.
“Sabemos o que é isso agora e nosso próximo trabalho é descobrir qual é a relação com outras fases bizarras em baixa temperatura – isso ajuda, compete, podemos controlá-lo, podemos fazer isso acontecer em temperaturas mais altas, se é útil?” Mitrovi? disse. “Em seguida, continuamos diminuindo a temperatura e aprendendo mais.”
A pesquisa experimental foi liderada por Jonathan Frassineti, um aluno de pós-graduação conjunto entre Brown e a Universidade de Bolonha, Pietro Bonfà da Universidade de Parma e dois alunos de Brown: Erick Garcia e Rong Cong. O trabalho teórico foi conduzido por Bonfà enquanto todos os materiais foram sintetizados na Universidade da Califórnia em Santa Bárbara. Esta pesquisa contou com financiamento da National Science Foundation.
Com informações de Science Daily.
