doi.org/10.1038/s41467-024-46628-7
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#Supercondutividade
O efeito termoelétrico revela um quadro completo das flutuações na supercondutividade.
Flutuações fracas na supercondutividade,[1] um fenômeno precursor da supercondutividade, foram detectadas com sucesso por um grupo de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech).
Este avanço foi alcançado medindo o efeito termoelétrico[2] em supercondutores em uma ampla gama de campos magnéticos e em uma ampla faixa de temperaturas, desde muito mais altas que a temperatura de transição supercondutora até temperaturas muito baixas próximas do zero absoluto.
Isto revelou o quadro completo das flutuações na supercondutividade em relação à temperatura e ao campo magnético, e demonstrou que a origem do estado metálico anômalo nos campos magnéticos, que tem sido um problema não resolvido no campo da supercondutividade bidimensional[3] por 30 anos, é a existência de um ponto crítico quântico[4] onde as flutuações quânticas são mais fortes.
Compreendendo os supercondutores Um supercondutor é um material no qual os elétrons se emparelham em baixas temperaturas, resultando em resistência elétrica zero.
É usado como material para eletroímãs poderosos em ressonância magnética médica e outras aplicações.
Eles também são considerados cruciais como pequenos elementos lógicos em computadores quânticos que operam em temperaturas criogênicas, e há necessidade de elucidar as propriedades dos supercondutores em temperaturas criogênicas quando são microminiaturizados.
Supercondutores bidimensionais atomicamente finos são fortemente afetados por flutuações e, portanto, exibem propriedades que diferem significativamente daquelas dos supercondutores mais espessos.
Existem dois tipos de flutuações: térmica (clássica), que é mais pronunciada em altas temperaturas, e quântica, que é mais importante em temperaturas muito baixas, sendo que esta última causa uma variedade de fenômenos interessantes.
Por exemplo, quando um campo magnético é aplicado perpendicularmente a um supercondutor bidimensional em zero absoluto e aumentado, ocorre uma transição da supercondutividade de resistência zero para um isolante com elétrons localizados.
Este fenômeno é chamado de transição supercondutor-isolante induzida por campo magnético e é um exemplo típico de transição de fase quântica[4] causada por flutuações quânticas.
No entanto, sabe-se desde a década de 1990 que, para amostras com efeitos de localização relativamente fracos, um estado metálico anômalo aparece na região intermediária do campo magnético, onde a resistência elétrica é várias ordens de grandeza inferior ao estado normal.
Acredita-se que a origem deste estado metálico anômalo seja um estado semelhante a um líquido no qual as linhas de fluxo magnético (Fig. 1 à esquerda) que penetram no supercondutor se movem devido a flutuações quânticas.
No entanto, esta previsão não foi fundamentada porque a maioria dos experimentos anteriores em supercondutores bidimensionais usaram medições de resistividade elétrica que examinam a resposta da tensão à corrente, tornando difícil distinguir entre os sinais de tensão originados do movimento das linhas de fluxo magnético e aqueles originados de o espalhamento de elétrons de condução normal.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor assistente Koichiro Ienaga e pelo professor Satoshi Okuma do Departamento de Física da Escola de Ciências da Tokyo Tech relatou na Physical Review Letters em 2020 que o movimento quântico das linhas de fluxo magnético ocorre em um estado metálico anômalo usando o efeito termoelétrico, em que a tensão é gerada em relação ao fluxo de calor (gradiente de temperatura) e não à corrente.
Porém, para esclarecer melhor a origem do estado metálico anômalo, é necessário elucidar o mecanismo pelo qual o estado supercondutor é destruído pela flutuação quântica e transições para o estado normal (isolante).
Neste estudo, eles realizaram medições destinadas a detectar o estado de flutuação supercondutor (centro da Fig.1), que é um estado precursor da supercondutividade e acredita-se que exista no estado normal.
Realizações e técnicas de pesquisa Neste estudo, filmes finos de molibdênio-germânio (MoxGe1-x) com estrutura amorfa,[5] conhecidos como supercondutores bidimensionais com estrutura e desordem uniformes, foram fabricados e usados.
Tem 10 nanômetros de espessura (um nanômetro equivale a um bilionésimo de metro) e promete ter os efeitos de flutuação característicos dos sistemas bidimensionais.
Como os sinais de flutuação não podem ser detectados por medições de resistividade elétrica porque estão enterrados no sinal de espalhamento de elétrons de condução normal, realizamos medições de efeito termoelétrico, que podem detectar dois tipos de flutuações: (1) flutuações supercondutoras (flutuações na amplitude da supercondutividade ) e (2) movimento da linha de fluxo magnético (flutuações na fase de supercondutividade).
Quando uma diferença de temperatura é aplicada na direção longitudinal da amostra, as flutuações supercondutoras e o movimento das linhas de fluxo magnético geram uma tensão na direção transversal.
Em contraste, o movimento normal dos elétrons gera voltagem principalmente na direção longitudinal.
Especialmente em amostras como materiais amorfos, onde os elétrons não se movem facilmente, a tensão gerada pelos elétrons na direção transversal é insignificante, de modo que a contribuição da flutuação por si só pode ser detectada seletivamente medindo a tensão transversal (Fig.1, à direita).
O efeito termoelétrico foi medido em uma variedade de campos magnéticos e em uma variedade de temperaturas variando desde muito mais alta que a temperatura de transição supercondutora de 2,4 K (Kelvin) até uma temperatura muito baixa de 0,1 K (1/3000 de 300 K, a temperatura ambiente ), que está próximo do zero absoluto.
Isso revela que as flutuações supercondutoras sobrevivem não apenas na região líquida do fluxo magnético (região vermelha escura na Fig.2), onde as flutuações da fase supercondutora são mais pronunciadas, mas também em uma ampla região de campo magnético-temperatura mais externa que é considerada como seja a região do estado normal, onde a supercondutividade é destruída (a região de alta temperatura e alto campo magnético acima da linha sólida convexa superior na Fig. 2).
Notavelmente, a linha de cruzamento entre flutuações térmicas (clássicas) e quânticas foi detectada com sucesso pela primeira vez (linha sólida espessa na Fig. 2).
O valor do campo magnético quando a linha de cruzamento atinge o zero absoluto provavelmente corresponde ao ponto crítico quântico onde as flutuações quânticas são mais fortes, e esse ponto (círculo branco na Fig.2) está claramente localizado dentro da faixa do campo magnético onde um estado metálico anômalo foi observado na resistência elétrica.
Não foi possível detectar a existência deste ponto crítico quântico a partir de medições de resistividade elétrica até agora.
Este resultado revela que o estado metálico anômalo em um campo magnético no zero absoluto em supercondutores bidimensionais, que permaneceu sem solução por 30 anos, tem origem na existência do ponto crítico quântico.
Em outras palavras, o estado metálico anômalo é um estado fundamental quântico crítico ampliado para a transição supercondutor-isolante.
Implicações As medições do efeito termoelétrico obtidas para supercondutores convencionais amorfos podem ser consideradas dados padrão para o efeito termoelétrico em supercondutores, uma vez que capturam puramente o efeito das flutuações na supercondutividade sem a contribuição dos elétrons no estado normal.
O efeito termoelétrico é importante em termos de sua aplicação em sistemas de resfriamento elétrico, etc., e há necessidade de desenvolver materiais que apresentem um grande efeito termoelétrico em baixas temperaturas para estender o limite das temperaturas de resfriamento.
Efeitos termoelétricos anormalmente grandes foram relatados em baixas temperaturas em certos supercondutores, e a comparação com os dados atuais pode fornecer uma pista sobre sua origem.
Desenvolvimento Futuro O interesse acadêmico que será desenvolvido neste estudo é demonstrar a previsão teórica de que em supercondutores bidimensionais com efeitos de localização mais fortes que a presente amostra, as linhas de fluxo magnético estarão em um estado quântico condensado6.
Seguindo em frente, planejamos implantar experimentos utilizando os métodos deste estudo com o objetivo de detectá-los.
Termos
1. Flutuações na supercondutividade: A força da supercondutividade não é uniforme e flutua no tempo e no espaço. É normal que ocorram flutuações térmicas, mas perto do zero absoluto, as flutuações quânticas ocorrem com base no princípio da incerteza da mecânica quântica.
2. Efeito termoelétrico: Efeito de troca de energia térmica e elétrica. Uma tensão é gerada quando uma diferença de temperatura é aplicada, enquanto uma diferença de temperatura é produzida quando uma tensão é aplicada. O primeiro está sendo estudado para aplicação como dispositivo de geração de energia e o segundo como dispositivo de refrigeração. Neste estudo, é usado como método para detectar flutuações na supercondutividade.
3. Supercondutividade bidimensional: Um supercondutor muito fino. Quando a espessura se torna mais fina do que a distância entre os pares de elétrons responsáveis pela supercondutividade, o efeito das flutuações na supercondutividade torna-se mais forte e as propriedades dos supercondutores são muito diferentes daquelas dos supercondutores mais espessos.
4. Ponto crítico quântico, transição de fase quântica: Uma transição de fase que ocorre no zero absoluto quando um parâmetro como um campo magnético é alterado é chamada de transição de fase quântica e se distingue de uma transição de fase causada por uma mudança de temperatura. O ponto crítico quântico é o ponto de transição de fase onde ocorrem as transições de fase quântica e onde as flutuações quânticas são mais fortes.
5. Estrutura amorfa: Estrutura de material na qual os átomos estão dispostos de maneira irregular e que não possui estrutura cristalina.
6. Estado quântico condensado: Um estado no qual um grande número de partículas cai no estado de energia mais baixo e se comporta como uma onda macroscópica singular. No estado supercondutor, muitos pares de elétrons são condensados. O hélio líquido também condensa quando resfriado a 2,17 K, produzindo uma superfluidez com viscosidade zero.
Publicado em 30/03/2024 10h56
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