Em baixas temperaturas, o titanato de estrôncio (SrTiO 3 ) é capaz de conduzir eletricidade sem qualquer resistência. O fato de não ser um metal e ainda poder realizar isso há muito tempo é um mistério. Agora os físicos têm suas primeiras pistas sobre por que desafia as teorias atuais sobre materiais supercondutores, e isso pode apenas preparar o terreno para uma revolução na eletrônica.
A nova pesquisa foi conduzida pelo Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia dos Estados Unidos e pela Universidade de Stanford, eles descobriram que o titanato de estrôncio se comporta de maneira estranhamente oposta aos metais supercondutores.
Ironicamente, isso ajuda a explicar por que é um supercondutor em si. “Este é um sistema em que tudo está de cabeça para baixo”, diz o físico de Stanford, Harold Hwang .
Para entender essa natureza confusa dessa substância cristalina, precisamos dar um passo atrás e ver o que convencionalmente faz um material conduzir eletricidade com praticamente zero esforço.
Para os elétrons chegarem do ponto A ao ponto B, eles geralmente precisam pular através de uma multidão de átomos empurrando sob a força de duas tensões diferentes.
Mesmo se você resfriar os átomos, a maioria dos materiais ainda vai puxar o fluxo de elétrons até certo ponto, exigindo energia para empurrá-los.
Supercondutores são diferentes. Em uma temperatura baixa o suficiente, a natureza dos arranjos dos átomos permite que eles balancem de tal maneira que seus elétrons superem sua repulsão usual uns com os outros para se unirem em pares conhecidos como Cooper.
Como parceiros, os dois elétrons compartilham o mesmo estado quântico. É essa conexão unilateral que os ajuda a encontrar o caminho mais fácil através da selva de átomos, permitindo que eles deslizem sem esforço através de seus arredores.
Graças à sua capacidade de jogar solto e rápido com seus elétrons, os metais compõem a maior parte dos materiais supercondutores. De fato, por várias décadas após sua descoberta em 1911 , não havia supercondutores não metálicos conhecidos.
O titanato de estrôncio mudou isso. Na década de 1960 esse óxido estranho foi encontrado para ter propriedades supercondutoras quando, por todas as contas, não deveria.
“É um dos muitos materiais que chamamos de supercondutores ‘não convencionais’, porque não podem ser explicados pelas teorias atuais”, diz o principal autor, Adrian Swartz, do Instituto Stanford de Materiais e Ciência da Energia.
“Ao estudar seu comportamento extremo, esperamos obter informações sobre os ingredientes que levam à supercondutividade nesses materiais não convencionais, incluindo aqueles que operam em temperaturas mais altas”.
Ser capaz de conduzir eletricidade livre de resistência sem a necessidade de desperdiçar energia na queda da temperatura seria um grande impulso para a eletrônica.
Então, para melhor entender exatamente como o titanato de estrôncio funcionava, os pesquisadores analisaram o comportamento de seus átomos usando a espectroscopia de tunelamento. Este método determina a energia dos componentes discretos de um material – quase como se um dedo minúsculo detectasse as posições e energias das partículas em um material.
Embora pareça simples, em princípio, a investigação exigiu que a tecnologia e os processos de investigação se atualizassem.
“O desejo de fazer este experimento existe há décadas, mas tem sido um desafio técnico”, diz Hwang .
Vale a pena a espera, parece. O minúsculo ‘dedo’ detectou algo notável na estrutura do titanato de estrôncio.
Onde metais supercondutores têm átomos que zumbem fracamente, e abundância de elétrons para emparelhar e deslizar através da multidão agitada, o titanato de estrôncio é o oposto.
Pode não ter tantos elétrons livres, mas sua rede de átomos tem uma vibração muito mais forte – e o resultado final ainda se alinha perfeitamente com a teoria supercondutora.
“Assim, o titanato de estrôncio parece ser um supercondutor não convencional que age como um convencional em alguns aspectos”, diz Hwang.
Recentemente, o grafeno tem sido o material maravilhoso que capturou a atenção de físicos que estudam supercondutores não-metálicos. Claramente, há muito espaço para mais pesquisas sobre esse campo excitante.
Com sua tecnologia de espectroscopia de tunelamento no jogo, a equipe planeja continuar a investigar as propriedades incomuns do titanato de estrôncio ainda mais, com base em idéias que poderiam um dia levar a um novo tipo de condução.
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