Brasileiros avançam na compreensão da supercondutividade

Com informações da Agência Fapesp 

Além de cabos supercondutores para transmissão de energia, há grande expectativa sobre os chips supercondutores.[Imagem: Sander Münster, Kunstkosmos]

Temperaturas dos supercondutores

Descoberto acidentalmente há mais de um século, o fenômeno da supercondutividade continua a prometer uma revolução tecnológica.

Foi em 1911, ao estudar o comportamento do metal mercúrio quando resfriado à temperatura de 4 K (-269 °C), que o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) observou, pela primeira vez, a propriedade que alguns materiais possuem de conduzir a corrente elétrica sem resistência nem perdas, nas vizinhanças do zero absoluto.

Na década de 1980, o interesse pelo assunto se renovou quando se obteve experimentalmente a supercondutividade em temperaturas relativamente mais altas, da ordem de 90 K (-183 °C). Esse número tem sido superado de forma consistente: Em 2015, uma equipe alemã apresentou um supercondutor "quente" que trabalha a -70 °C.

Transição de Mott

Mas o que realmente motiva esse campo de pesquisas é a busca pela realização da supercondutividade a temperatura ambiente.

É nesse contexto que se insere um estudo realizado por físicos da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em Rio Claro (SP), em colaboração com a Universidade Paris Sul, na França.

"Em diversos materiais, a fase supercondutora se manifesta na proximidade da chamada 'fase isolante de Mott' [Nevill Francis Mott (1905-1996)]. A transição metal-isolante de Mott é uma mudança abrupta na condutividade elétrica que ocorre a uma dada temperatura quando a repulsão de Coulomb entre os elétrons se torna comparável à energia cinética dos elétrons livres.

"Quando a repulsão de Coulomb passa a ser relevante, os elétrons, antes itinerantes, se tornam localizados, minimizando assim a energia total do sistema. Essa localização eletrônica constitui a 'fase isolante de Mott'. Em alguns casos, um processo ainda mais exótico acontece. Devido às interações entre elétrons ocupando sítios vizinhos da rede, os elétrons se rearranjam na rede de maneira não homogênea. Ocorre, então, a chamada 'fase de ordenamento de carga'. Nosso estudo tratou desse tipo de fenômeno," explicou o professor Valdeci Pereira de Souza, coordenador da pesquisa.

Quando ocorre a fase de ordenamento de carga, a distribuição não homogênea das cargas, por vezes acompanhada de uma distorção da rede cristalina, faz com que o material passe a exibir uma polarização elétrica e, consequentemente, um comportamento ferroelétrico. É a chamada "fase ferroelétrica de Mott-Hubbard" [John Hubbard (1931-1980)].

Sais de Fabre

Para explorar experimentalmente essas fases exóticas, os pesquisadores da Unesp trabalharam com os chamados "sais de Fabre", materiais formados a partir de uma molécula orgânica, a TMTTF (tetrametiltetrathiafulvaleno), que apresenta uma configuração simétrica, com uma ligação dupla de carbono no centro e dois radicais metil de cada lado. O material foi estudado em um criostato, que permite alcançar um ponto frio e magnético, com temperatura de 1,4 Kelvin e campo de 12 Teslas.

"Com tal ferramenta experimental, nos propusemos não apenas a caracterizar materiais, embora isso seja importante, mas a investigar propriedades fundamentais da matéria, que se manifestam em condições extremas.

"Os sais de Fabre apresentam diagramas de fase extremamente ricos para quem empreende esse tipo de pesquisa. Os referidos sistemas moleculares já haviam sido explorados por meio de ressonância magnética nuclear, espectroscopia de infravermelho e outras técnicas. O que fizemos essencialmente foi medir sua constante dielétrica no regime de baixas frequências," disse Mariano.

Vale lembrar que a constante dielétrica varia de material para material e, embora seja uma grandeza macroscópica, nos diz quão polarizável um material pode ser.

"Tendo em vista que os sais de Fabre são materiais altamente anisotrópicos, ou seja, com propriedades de transporte que dependem expressivamente da direção cristalográfica, quando o ordenamento de carga ocorre, temos a polarização elétrica de Mott-Hubbard ao longo da pilha de moléculas [TMTTF] que formam o material. Tal polarização é expressiva e já havia sido reportada na literatura em 2001.

"Em nosso novo trabalho, medimos pela primeira vez a contribuição iônica para a constante dielétrica nestes materiais. Verificamos que, à medida que se reduz a temperatura, a contribuição iônica também diminui dando lugar à fase de Mott-Hubbard. Esta foi uma observação nova, sem registro na literatura científica, uma contribuição genuinamente nossa," finalizou Mariano.

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Bibliografia:

Probing the ionic dielectric constant contribution in the ferroelectric phase of the Fabre salts
Mariano de Souza, Lucas Squillante, Cesar Sônego, Paulo Menegasso, Pascale Foury-Leylekian, Jean-Paul Pouget
Physical Review B
DOI: 10.1103/PhysRevB.97.045122
https://arxiv.org/pdf/1801.00626.pdf