Assinaturas para uma nova fase eletrônica que permite que a carga flua espontaneamente em loops foram observadas em um supercondutor kagome. Usando espectroscopia de spin de múon ultra-sensível, os pesquisadores descobriram campos magnéticos de quebra de simetria de reversão no tempo dentro do material, indicando a existência de “correntes orbitais” há muito procuradas. A descoberta, publicada na Nature, ajuda a entender a supercondutividade de alta temperatura e os fenômenos quânticos que sustentam a pesquisa de dispositivos de próxima geração.
O padrão kagome, uma rede de triângulos de compartilhamento de cantos, é bem conhecido entre os tradicionais tecelões de cestos japoneses – e físicos de matéria condensada. A geometria incomum dos átomos de metal na rede kagome e o comportamento dos elétrons resultantes o tornam um playground para sondar fenômenos quânticos estranhos e maravilhosos que formam a base da pesquisa de dispositivos de próxima geração.
Um exemplo-chave é a supercondutividade não convencional – como a alta temperatura -, que não segue as leis convencionais da supercondutividade. A maioria dos materiais supercondutores exibe sua propriedade aparentemente mágica de resistência zero a alguns graus Kelvin: temperaturas que são simplesmente impraticáveis para a maioria das aplicações. Materiais que exibem a chamada supercondutividade de “alta temperatura”, em temperaturas alcançáveis com resfriamento de nitrogênio líquido (ou mesmo à temperatura ambiente), são uma perspectiva tentadora. Encontrar e sintetizar novos materiais que exibem supercondutividade não convencional tornou-se o Santo Graal do físico da matéria condensada – mas chegar lá envolve uma compreensão mais profunda do comportamento eletrônico topológico e exótico em materiais.
Um tipo exótico de comportamento de transporte de elétrons que resulta em um fluxo espontâneo de carga em loops tem sido debatido há muito tempo como um precursor da supercondutividade de alta temperatura e como um mecanismo por trás de outro fenômeno misterioso: o efeito Hall anômalo quântico. Esse efeito topológico, tema do trabalho vencedor do Prêmio Nobel de 2016 de F. Duncan M. Haldane, ocorre em certos materiais eletrônicos bidimensionais e se relaciona com a geração de uma corrente mesmo na ausência de um campo magnético aplicado. Compreender o efeito Hall anômalo quântico é importante não apenas para a física fundamental, mas também para as potenciais aplicações em novos eletrônicos e dispositivos. Agora, uma colaboração internacional liderada pela PSI descobriu fortes evidências que apoiam esse comportamento indescritível de transporte de elétrons.
Ordenação de carga de quebra de simetria com reversão de tempo no supercondutor kagome KV3Sb5
A equipe, liderada por pesquisadores do PSI?s Laboratory for Muon Spin Spectroscopy, descobriu campos magnéticos internos fracos indicativos de uma ordenação de carga exótica em um supercondutor kagome correlacionado. Esses campos magnéticos quebram a chamada simetria de reversão no tempo, um tipo de simetria que significa que as leis da física são as mesmas se você olhar para um sistema avançando ou retrocedendo no tempo.
Uma explicação natural da ocorrência de campos de quebra de simetria com reversão no tempo é um novo tipo de ordem de carga. A ordenação de carga pode ser entendida como uma modulação periódica da densidade eletrônica através da rede e rearranjo dos átomos em uma estrutura de ordem superior (super-rede). A equipe concentrou seu estudo na rede kagome, KV3Sb5, que supercondutora abaixo de 2,5 Kelvin. Abaixo de uma temperatura crítica mais alta de aproximadamente 80 Kelvin, um efeito Hall anômalo quântico gigante é observado no material, que era anteriormente inexplicável. A ordenação de carga exótica aparece abaixo dessa temperatura crítica de aproximadamente 80 Kelvin, denominada “temperatura de ordenação de carga”.
Os campos de quebra de simetria de reversão no tempo descobertos implicam um tipo exótico de ordem de carga onde as correntes se movem ao redor das células unitárias da rede kagome, conhecidas como correntes orbitais. Estes produzem magnetismo dominado pelo movimento orbital estendido dos elétrons em uma rede de átomos.
“A realização experimental desse fenômeno é excepcionalmente desafiadora, pois os materiais que exibem correntes orbitais são raros e os sinais característicos [das correntes orbitais] são frequentemente muito fracos para serem detectados”, explica o autor correspondente, Zurab Guguchia, do Lab of Muon Spin Spectroscopy em PSI, que liderou a equipe.
Embora estudos anteriores tenham mostrado a quebra da simetria de reversão de tempo abaixo da temperatura supercondutora, este é o primeiro exemplo em que a simetria de reversão de tempo é quebrada por ordem de carga. Isso significa que essa suposta carga exótica ordena classes como uma nova fase quântica da matéria.
Uma evidência extremamente convincente
Para procurar as correntes orbitais há muito disputadas, os físicos usaram a espectroscopia de rotação/relaxamento do spin do múon altamente sensível (µSR) para detectar os sinais magnéticos fracos e reveladores que eles gerariam. Os múons implantados na amostra servem como uma sonda magnética local e altamente sensível ao campo interno do material, permitindo a detecção de campos magnéticos tão pequenos quanto 0,001 µBohr. Na presença de um campo magnético interno, o spin do múon se despolariza. Os múons decaem em pósitrons energéticos, que são emitidos ao longo da direção do spin do múon, levando consigo informações sobre a polarização do spin do múon no ambiente local.
Os pesquisadores observaram como, à medida que a temperatura diminui para abaixo de 80K, a temperatura de ordenação de carga, uma mudança sistemática no sinal magnético apareceu. Usando a instalação µSR mais avançada do mundo na PSI, que permite a aplicação de campos de até 9,5 Tesla, a equipe pode usar um alto campo magnético externo para aumentar a mudança nos minúsculos campos magnéticos internos e fornecer evidências ainda mais fortes de que o campo magnético era devido às correntes orbitais internas.
“Primeiro realizamos o experimento sem campo externo”, explica o Dr. Guguchia, “e quando vimos a mudança sistemática aparecer abaixo da temperatura de ordenação de carga, nos sentimos muito motivados a continuar. Mas quando então aplicamos o campo alto e conseguimos promover essa resposta eletrônica, ficamos encantados. É uma evidência muito, muito convincente de algo que permaneceu indescritível por muito tempo.”
Uma compreensão mais profunda da supercondutividade não convencional e do efeito Hall anômalo quântico
A pesquisa fornece sem dúvida a evidência mais forte até agora de que correntes orbitais há muito debatidas realmente existem no material kagome KV3Sb5. A teoria sugere que o efeito Hall anômalo quântico se origina de correntes orbitais. Portanto, correntes orbitais foram propostas em vários supercondutores não convencionais que exibem um efeito Hall anômalo quântico estranhamente grande; ou seja, grafeno, cupratos e treliças de kagome, mas a evidência real de que eles existiam estava faltando até agora.
A descoberta de campos de quebra de simetria com reversão no tempo, que implicam correntes orbitais – e a peculiar ordenação de carga que lhes dá origem, abre portas para avenidas exóticas de física e pesquisa de dispositivos de próxima geração. Correntes orbitais são consideradas como tendo um papel fundamental no mecanismo de vários fenômenos de transporte não convencionais, incluindo supercondutividade de alta temperatura, com aplicações de transmissão de energia para trens MAGLEV. O conceito de correntes orbitais também forma a base da orbitrônica – uma área que explora o grau de liberdade orbital como portador de informação em dispositivos de estado sólido.
Publicado em 10/02/2022 16h58
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