Pesquisa revela novos aspectos sobre a supercondutividade e fenômenos correlacionados

Comportamentos exóticos exibidos por compostos orgânicos quando submetidos a baixas temperaturas são explorados em trabalho feito na Unesp e publicado na Physical Review B

José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Descoberto acidentalmente há mais de um século, o fenômeno da supercondutividade continua a prometer formidável 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, houve um renovado interesse pelo assunto quando se obteve experimentalmente a supercondutividade em temperaturas bem mais altas, da ordem de 90 K (-183 °C). Esse número foi superado posteriormente. E, hoje, a expectativa de supercondutividade em temperatura ambiente motiva pesquisas em várias instituições científicas de vanguarda.

É nesse contexto que se insere um estudo realizado pelo Grupo de Física do Estado Sólido da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em Rio Claro. O trabalho, coordenado por Valdeci Pereira Mariano de Souza, reuniu pesquisadores da Unesp e da Université Paris Sud, na França. Os resultados foram obtidos em Rio Claro, com equipamentos adquiridos com apoio da FAPESP.

Artigo sobre a pesquisa foi publicado na revista Physical Review B e o texto integral pode ser lido também em https://arxiv.org/pdf/1801.00626.pdf.

“Em diversos materiais, a fase supercondutora se manifesta na proximidade da chamada ‘fase isolante de Mott’. 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”, disse Mariano à Agência FAPESP.

“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”, disse.

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”, termo que homenageia dois importantes físicos britânicos que se dedicaram ao estudo do tema: Sir Nevill Francis Mott (1905-1996), Nobel de Física de 1977, e John Hubbard (1931-1980).

Para explorar tais fases exóticas experimentalmente, os pesquisadores da Unesp utilizaram, como material, os chamados “sais de Fabre”. Esses materiais são formados a partir de uma molécula orgânica, tetrametiltetrathiafulvaleno (TMTTF), que apresenta uma configuração simétrica, com uma ligação dupla de carbono no centro e dois radicais metil de cada lado. E se valeram de um criostato, também adquirido com apoio da FAPESP, que permite alcançar o ponto mais frio e mais magnético disponível na Unesp, 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”, disse Mariano.

“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.

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”, disse Mariano.

“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. Ainda, neste trabalho, exploramos em detalhes o efeito da desordem induzida por irradiação na fase de Mott-Hubbard”, disse.

Segundo o professor da Unesp, a importância disso se deve à proximidade da fase ferroelétrica de Mott-Hubbard com a supercondutividade.

“William Little, professor emérito da Stanford University, dizia que condutores moleculares de baixa dimensionalidade seriam os candidatos para a obtenção de supercondutividade à temperatura ambiente. Little propôs que a supercondutividade à temperatura ambiente se daria por meio de ‘espinhas’, isto é, cadeias condutoras com cadeias laterais altamente polarizáveis. Os materiais que estamos estudando possuem exatamente estes ingredientes”, explicou Mariano.

A obtenção de “espinhas” foi um primeiro passo. O passo seguinte, já idealizado pelos pesquisadores de Rio Claro, é estressar os sais de Fabre para induzir supercondutividade a partir da fase ferroelétrica de Mott-Hubbard.

O artigo Probing the ionic dielectric constant contribution in the ferroelectric phase of the Fabre salts (doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.045122), de Mariano de Souza, Lucas Squillante, Cesar Sônego, Paulo Menegasso, Pascale Foury-Leylekian e Jean-Paul Pouget, foi publicado pela Physical Review B em https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.97.045122. Pode ser lido também em https://arxiv.org/pdf/1801.00626.pdf.