Nas últimas décadas, muitos físicos da matéria condensada conduziram pesquisas com foco nas transições de fase quântica que não estão claramente associadas a uma simetria quebrada. Uma razão pela qual essas transições são interessantes é que elas podem sustentar o mecanismo de supercondutividade de alta temperatura.
Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, reuniram recentemente evidências de uma transição de fase quântica sem quebra de simetria ocorrendo no cério-cobalto-índio 5 (CeCoIn5), um supercondutor não convencional. Seu artigo, publicado na Science, também apresenta um modelo que pode ser usado para descrever o comportamento anômalo que eles observaram no CeCoIn5.
“Inicialmente, começamos a estudar este material com um foco completamente diferente, principalmente em fenômenos de escala crítica em medições de resistividade”, disse Nikola Maksimovic, o principal autor do artigo, ao Phys.org. “Ao longo de cerca de três anos, notamos que nossos dados pareciam apontar para mudanças rápidas nas propriedades do material induzidas por pequenas quantidades de substituição química. Essa transição foi sugerida em medições anteriores.”
Inspirado por trabalhos teóricos anteriores, Maksimovic e seus colegas levantaram a hipótese de que as mudanças rápidas amplamente observadas nas propriedades do CeCoIn5 poderiam ser explicadas por uma transição de deslocalização do elétron do orbital f de cério no material. Portanto, eles decidiram mudar o foco de sua pesquisa da medição da resistividade em baixa temperatura para a caracterização dos elétrons-f no material.
“Esperávamos que nosso trabalho respondesse a uma questão fundamental, se o elétron f do átomo de cério está localizado no sítio de cério ou itinerante (ou seja, livre para se mover no metal)”, disse Maksimovic. “Nosso trabalho também foi inspirado por estudos experimentais anteriores em outros materiais, como metais à base de Yb e cerâmicas de óxido de cobre.”
Para examinar os elétrons f no CeCoIn5, os pesquisadores usaram uma técnica experimental bem estabelecida conhecida como medição do efeito Hall. Esta técnica envolve a aplicação de uma tensão transversal gerada por um campo magnético a uma amostra.
Essa tensão pode então ser convertida em uma medição da densidade dos elétrons móveis em um material. Em seus experimentos, Maksimovic e seus colegas usaram o efeito Hall como uma sonda para determinar se os elétrons f em uma amostra de CeCoIn5 eram móveis ou presos a seus átomos hospedeiros.
“Essas medições foram realizadas em ambientes extremos, a cerca de meio kelvin acima do zero absoluto e em campos magnéticos de até 73 Tesla”, disse Maksimovic. “Para esse fim, minúsculos dispositivos elétricos precisaram ser padronizados com peças de CeCoIn5 para obter um sinal mensurável.”
As descobertas coletadas pelos pesquisadores destacaram uma rápida mudança na densidade do portador de baixa temperatura do material, que foi impulsionada pela substituição química do CeCoIn5. Curiosamente, a magnitude do aumento do coeficiente de Hall que eles detectaram foi considerada consistente com uma transição do elétron-f localizado para deslocado. Esses resultados confirmaram sua hipótese inicial.
Posteriormente, Maksimovic e seus colegas começaram a caracterizar o espectro de energia eletrônica em amostras CeCoIn5 com diferentes composições. Para fazer isso, eles usaram uma série de ferramentas de espectroscopia de última geração, incluindo técnicas de oscilação quântica e fotoemissão com resolução de ângulo.
“Com base na teoria existente de metais de elétrons f, apresentamos um modelo que defende o fracionamento de elétrons no metal em cargas separadas e excitações com spin próximo ao ponto crítico onde os elétrons f estão próximos de se deslocar”, disse Maksimovic. “Essa ‘quebra’ de elétrons é uma fase muito exótica da matéria, que só é possível devido às propriedades quânticas coletivas de certos metais onde os elétrons estão fortemente correlacionados.”
O novo modelo proposto por esta equipe de pesquisadores e seus cálculos poderiam explicar certas propriedades da condutividade elétrica do material. Além disso, suas descobertas oferecem novos insights valiosos que podem aprimorar o entendimento atual do CeCoIn5 e de outros supercondutores não convencionais.
No futuro, este trabalho recente pode inspirar o desenvolvimento de modelos semelhantes relacionados a supercondutores de alta temperatura, já que estudos anteriores encontraram evidências de uma transição de deslocalização qualitativamente semelhante nesses materiais, que também é induzida por substituição química.
Enquanto isso, Maksimovic e seus colegas planejam pesquisar evidências mais diretas de spin distinto e excitação com carga em CeCoIn5. Para fazer isso, eles coletarão medidas de condutividade térmica e elétrica em temperaturas muito baixas, pois uma discrepância significativa entre elas pode indicar que os portadores de calor são diferentes dos portadores de carga.
“Durante o curso de nossa pesquisa, também notamos que em certas amostras exibiam evidências de uma transição induzida por campos magnéticos muito altos”, acrescentou Maksimovic. “No momento, não está claro como isso está relacionado à transição de campo zero observada em nosso trabalho recente. Portanto, agora planejamos estudar a transição de alto campo utilizando ainda mais os recursos nas instalações de campo pulsado no Laboratório Nacional de Los Alamos.”
Publicado em 08/01/2022 21h20
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