Em um experimento inovador, cientistas da Universidade de Groningen, juntamente com colegas das universidades holandesas de Nijmegen e Twente e do Harbin Institute of Technology (China), descobriram a existência de um estado supercondutor que foi previsto pela primeira vez em 2017.
Eles apresentam evidências de uma variante especial do estado supercondutor FFLO na revista Nature. Esta descoberta pode ter aplicações significativas, particularmente no campo da eletrônica supercondutora.
O principal autor do artigo é o professor Justin Ye, que chefia o grupo Device Physics of Complex Materials da Universidade de Groningen. Ye e sua equipe têm trabalhado no estado supercondutor de Ising. Este é um estado especial que pode resistir a campos magnéticos que geralmente destroem a supercondutividade, e que foi descrito pela equipe em 2015.
Em 2019, eles criaram um dispositivo composto por uma camada dupla de dissulfeto de molibdênio que poderia acoplar os estados de supercondutividade Ising residentes nas duas camadas. Curiosamente, o dispositivo criado por Ye e sua equipe possibilita ligar ou desligar essa proteção por meio de um campo elétrico, resultando em um transistor supercondutor.
O dispositivo supercondutor Ising acoplado lança luz sobre um desafio de longa data no campo da supercondutividade. Em 1964, quatro cientistas (Fulde, Ferrell, Larkin e Ovchinnikov) previram um estado supercondutor especial que poderia existir sob condições de baixa temperatura e forte campo magnético, conhecido como estado FFLO.
Na supercondutividade padrão, os elétrons viajam em direções opostas como pares de Cooper. Como viajam com a mesma velocidade, esses elétrons têm um momento cinético total igual a zero. No entanto, no estado FFLO, há uma pequena diferença de velocidade entre os elétrons nos pares de Cooper, o que significa que há um momento cinético líquido.
“Este estado é muito evasivo e há apenas um punhado de artigos que afirmam sua existência em supercondutores normais”, diz Ye. “No entanto, nenhum deles é conclusivo.” Para criar o estado FFLO em um supercondutor convencional, é necessário um forte campo magnético. Mas o papel desempenhado pelo campo magnético precisa de ajustes cuidadosos.
Simplificando, para que duas funções sejam desempenhadas pelo campo magnético, precisamos usar o efeito Zeeman. Isso separa os elétrons em pares de Cooper com base na direção de seus spins (um momento magnético), mas não no efeito orbital – o outro papel que normalmente destrói a supercondutividade. “É uma negociação delicada entre a supercondutividade e o campo magnético externo”, explica Ye.
A supercondutividade Ising, que Ye e seus colaboradores apresentaram e publicaram na revista Science em 2015, suprime o efeito Zeeman. “Ao filtrar o principal ingrediente que torna possível o FFLO convencional, fornecemos amplo espaço para o campo magnético desempenhar seu outro papel, ou seja, o efeito orbital”, diz Ye.
“O que demonstramos em nosso artigo é uma impressão digital clara do estado FFLO impulsionado pelo efeito orbital em nosso supercondutor Ising”, explica Ye. “Este é um estado FFLO não convencional, descrito pela primeira vez em teoria em 2017”. O estado FFLO em supercondutores convencionais requer temperaturas extremamente baixas e um campo magnético muito forte, o que dificulta sua criação. No entanto, no supercondutor Ising de Ye, o estado é alcançado com um campo magnético mais fraco e em temperaturas mais altas.
Na verdade, Ye observou pela primeira vez sinais de um estado FFLO em seu dispositivo supercondutor de dissulfeto de molibdênio em 2019. “Naquela época, não podíamos provar isso, porque as amostras não eram boas o suficiente”, diz Ye. No entanto, seu Ph.D. Desde então, o estudante Puhua Wan conseguiu produzir amostras do material que preenchiam todos os requisitos para mostrar que existe de fato um momento finito nos pares de Cooper. “Os experimentos reais levaram meio ano, mas a análise dos resultados acrescentou mais um ano”, diz Ye. Wan é o primeiro autor do artigo da Nature.
Este novo estado supercondutor precisa de mais investigação. Ye diz: “Há muito a aprender sobre isso. Por exemplo, como o momento cinético influencia os parâmetros físicos? Estudar esse estado fornecerá novos insights sobre a supercondutividade. E isso pode nos permitir controlar esse estado em dispositivos como transistores . Esse é o nosso próximo desafio.”
Publicado em 03/06/2023 09h49
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