Físicos e colegas do MIT demonstraram uma forma exótica de supercondutividade em um novo material que a equipe sintetizou há apenas um ano. Embora previsto na década de 1960, até agora esse tipo de supercondutividade tem se mostrado difícil de estabilizar. Além disso, os cientistas descobriram que o mesmo material pode ser potencialmente manipulado para exibir outra forma igualmente exótica de supercondutividade.
O trabalho foi relatado na edição de 3 de novembro da revista Nature.
A demonstração da supercondutividade de momento finito em um cristal em camadas conhecido como superrede natural significa que o material pode ser ajustado para criar diferentes padrões de supercondutividade na mesma amostra. E isso, por sua vez, pode ter implicações para a computação quântica e muito mais.
O material também deve se tornar uma ferramenta importante para desvendar os segredos de supercondutores não convencionais. Isso pode ser útil para novas tecnologias quânticas. Projetar essas tecnologias é desafiador, em parte porque os materiais de que são compostas podem ser difíceis de estudar. O novo material pode simplificar essa pesquisa porque, entre outras coisas, é relativamente fácil de fazer.
“Um tema importante de nossa pesquisa é que a nova física vem de novos materiais”, diz Joseph Checkelsky, principal investigador do trabalho e professor associado de Física de Desenvolvimento de Carreira da Mitsui. “Nosso relatório inicial no ano passado foi sobre esse novo material. Esse novo trabalho relata a nova física.”
Os co-autores de Checkelsky no artigo atual incluem o autor principal Aravind Devarakonda, Ph.D. ’21, que agora está na Universidade de Columbia. O trabalho foi uma parte central da tese de Devarakonda. Os co-autores são Takehito Suzuki, um ex-cientista pesquisador do MIT agora na Toho University no Japão; Shiang Fang, pós-doutorado no Departamento de Física do MIT; Junbo Zhu, um estudante de pós-graduação em física do MIT; David Graf, do Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético; Markus Kriener, do RIKEN Center for Emergent Matter Science no Japão; Liang Fu, professor associado de física do MIT; e Efthimios Kaxiras da Harvard University.
Novo material quântico
A física clássica pode ser usada para explicar qualquer número de fenômenos subjacentes ao nosso mundo – até que as coisas fiquem extremamente pequenas. Partículas subatômicas como elétrons e quarks se comportam de maneira diferente, de maneiras que ainda não são totalmente compreendidas. Entra na mecânica quântica, o campo que tenta explicar seu comportamento e os efeitos resultantes.
Checkelsky e colegas descobriram um novo material quântico, ou que manifesta as propriedades exóticas da mecânica quântica em escala macroscópica. Nesse caso, o material em questão é um supercondutor.
Checkelsky explica que recentemente houve um boom na realização de supercondutores especiais que são bidimensionais ou com apenas algumas camadas atômicas de espessura. Esses novos supercondutores ultrafinos são de interesse em parte porque se espera que forneçam insights sobre a própria supercondutividade.
Mas existem desafios. Por um lado, materiais com apenas algumas camadas atômicas de espessura são difíceis de estudar porque são muito delicados. Poderia haver outra abordagem para descobrir seus segredos?
O novo material feito por Checkelsky e colegas pode ser considerado o equivalente supercondutor de um bolo de camadas, onde uma camada é um filme ultrafino de material supercondutor, enquanto a próxima é uma camada espaçadora ultrafina que o protege. Empilhar essas camadas uma sobre a outra resulta em um grande cristal (isso acontece naturalmente quando os elementos constituintes do enxofre, nióbio e bário são aquecidos juntos). “E aquele cristal macroscópico, que posso segurar na mão, se comporta como um supercondutor 2D. Foi muito surpreendente”, diz Checkelsky.
Muitas das sondas que os cientistas usam para estudar supercondutores 2D são difíceis de usar em materiais atomicamente finos. Como o novo material é tão grande, “agora temos muito mais ferramentas [para caracterizá-lo]”, diz Checkelsky. Na verdade, para o trabalho relatado no artigo atual, os cientistas usaram uma técnica que requer amostras massivas.
Supercondutores exóticos
Um supercondutor carrega de uma maneira especial. Em vez de por meio de um elétron, a carga é transportada por dois elétrons unidos no que é conhecido como par de Cooper. No entanto, nem todos os supercondutores são iguais. Algumas formas incomuns de supercondutividade só podem aparecer quando os pares de Cooper podem se mover desimpedidos pelo material por distâncias relativamente longas. Quanto maior a distância, mais “limpo” é o material.
O material da equipe Checkelsky é extremamente limpo. Como resultado, os físicos ficaram entusiasmados para ver se ele exibia um estado supercondutor incomum, o que realmente ocorre. No artigo atual, a equipe mostra que seu novo material é um supercondutor de momento finito após a aplicação de um campo magnético. Esse tipo específico de supercondutividade, que foi proposto na década de 1960, permaneceu um fascínio para os cientistas.
Enquanto a supercondutividade é geralmente destruída por campos magnéticos modestos, um supercondutor de momento finito pode persistir ainda mais formando um padrão regular de regiões com muitos pares de Cooper e regiões que não têm nenhum. Acontece que esse tipo de supercondutor pode ser manipulado para formar uma variedade de padrões incomuns conforme os pares de Cooper se movem entre as órbitas da mecânica quântica conhecidas como níveis de Landau. E isso significa, diz Checkelsky, que os cientistas agora devem ser capazes de criar diferentes padrões de supercondutividade no mesmo material.
“Este é um experimento impressionante que é capaz de demonstrar pares Cooper movendo-se entre os níveis Landau em um supercondutor, algo que nunca foi observado antes. Francamente, eu nunca imaginei ver isso em um cristal que você pudesse segurar em sua mão, então isso é muito emocionante. Para observar este efeito indescritível, os autores tiveram que realizar medições meticulosas e de alta precisão em um supercondutor exclusivamente bidimensional que eles haviam descoberto anteriormente. É uma conquista notável, não apenas em sua dificuldade técnica, mas também em sua inteligência, “diz Kyle Shen, professor de física da Universidade Cornell. Shen não estava envolvido no estudo.
Além disso, os físicos perceberam que seu material também contém os ingredientes para outro tipo exótico de supercondutividade. A supercondutividade topológica envolve o movimento de carga ao longo de arestas ou limites. Nesse caso, essa carga pode viajar ao longo das bordas de cada padrão supercondutor interno.
A equipe Checkelsky está atualmente trabalhando para ver se seu material é realmente capaz de supercondutividade topológica. Em caso afirmativo, “podemos combinar os dois novos tipos de supercondutividade” O que isso poderia trazer?” Checkelsky pergunta.
“Foi muito divertido perceber este novo material”, conclui. “À medida que nos aprofundamos no entendimento do que ele pode fazer, tivemos uma série de surpresas. É realmente empolgante quando novas coisas que não esperávamos são lançadas.”
Publicado em 21/11/2021 17h46
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