doi.org/10.1038/s41567-023-02291-1
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#quântico
O súbito desaparecimento das flutuações quânticas dentro de um supercondutor 2D da espessura de um átomo deixou os cientistas perplexos.
Os físicos observaram a misteriosa “morte súbita” das flutuações quânticas dentro de um material supercondutor bizarro.
A descoberta, feita em uma camada da espessura de um átomo do composto semimetálico ditelureto de tungstênio, requer uma teoria completamente nova para explicá-la.
Descrever por que isso acontece poderia revelar novos insights sobre os supercondutores, materiais nos quais a eletricidade flui sem resistência. Os supercondutores à temperatura ambiente são considerados um “Santo Graal” da física que poderia facilitar a transmissão de energia quase sem perdas.
“O que descobrimos, ao observar diretamente as flutuações quânticas perto da transição, foi uma evidência clara de uma nova transição de fase quântica que desobedece às descrições teóricas padrão conhecidas na área”, disse Sanfeng Wu, professor assistente de física na Universidade de Princeton e co-autor do estudo. -autor do estudo de 5 de janeiro publicado na revista Nature Physics, em comunicado. “Uma vez que entendemos esse fenômeno, pensamos que existe uma possibilidade real de surgir uma nova e excitante teoria.”
As transições de fase ocorrem quando os arranjos atômicos de um material mudam – como quando um sólido derrete em um líquido ou um líquido evapora para se tornar um gás. Mas também podem ocorrer no nível quântico, fazendo com que os elétrons dentro de um material se unam nos chamados pares de Cooper e fluam como um superfluido sem qualquer resistência.
Esta transição supercondutora normalmente ocorre apenas em temperaturas próximas do zero absoluto, mas a descoberta da supercondutividade em temperaturas mais altas tem tentado durante décadas os cientistas com a esperança de reproduzir o processo à temperatura ambiente. Mas a busca foi prejudicada por experimentos que não foram reproduzidos e até mesmo por alegações de falsificação de dados.
Para entender melhor quando e como a supercondutividade surge, os pesquisadores por trás do novo estudo descascaram um cristal de ditelureto de tungstênio até uma camada de átomo único antes de super-resfriá-lo a apenas 50 miliKelvins (menos 273,10 graus Celsius ou menos 459,58 graus Fahrenheit).
Isso deixou para trás um forte isolante; seus elétrons estavam muito confinados para conduzir eletricidade com seu fluxo. Mas quando adicionaram elétrons extras e aplicaram uma voltagem, produziram um resultado extraordinário: o material se transformou em um supercondutor.
“Apenas uma pequena quantidade de tensão de porta pode mudar o material de um isolante para um supercondutor”, disse o autor principal Tiancheng Song, pesquisador de pós-doutorado em física em Princeton, no comunicado. “Este é realmente um efeito notável.”
Os materiais mudam de fase acumulando pequenas flutuações em seus estados termodinâmicos. Nos supercondutores 2D, essas flutuações ocorrem graças a vórtices quânticos, minúsculos redemoinhos de campos magnéticos que, acima de uma certa temperatura e voltagem, se espalham por um material e destroem sua capacidade de supercondução.
Esta transição ocorre num limiar denominado densidade electrónica crítica – um ponto onde os elétrons supercondutores nos pares de Cooper têm energia cinética suficiente para se separarem dos seus parceiros.
No novo estudo, os pesquisadores mediram os vórtices produzidos pela tensão aplicada.
Experimentos anteriores sugeriram que esses vórtices desaparecem abruptamente em altas temperaturas e campos magnéticos (ou depois de terem empurrado o material para fora da fase supercondutora e para a resistiva).
Mas a experiência descobriu o oposto: a temperaturas mais elevadas e campos magnéticos mais fortes, os vórtices persistiram durante muito tempo na fase isolante do material.
Além disso, quando um material supercondutor é resfriado até próximo do zero absoluto e a densidade eletrônica é ajustada ao limite da transição de fase, ele deve atingir um estágio chamado ponto crítico quântico. Sem temperatura para impulsionar a transição de fase, o material deveria alternar entre as fases isolante e supercondutora de acordo com os caprichos das flutuações aleatórias do vórtice.
Mas quando os experimentadores arrefeceram o seu material até perto do zero absoluto, observaram que, em vez de persistirem fracamente logo abaixo do ponto crítico quântico, os redemoinhos quânticos desapareceram abruptamente.
“Esperávamos ver fortes flutuações persistirem abaixo da densidade crítica de elétrons no lado não supercondutor”, disse Wu. “No entanto, o que descobrimos foi que os sinais de vórtice ‘de repente’ desaparecem no momento em que a densidade crítica de elétrons é ultrapassada. E isso foi um choque. Não podemos explicar esta observação – a ‘morte súbita’ das flutuações.”
“Em outras palavras, descobrimos um novo tipo de ponto crítico quântico, mas não o entendemos”, disse o coautor Nai Phuan Ong, professor de física em Princeton, no comunicado.
Os pesquisadores disseram que, para descrever o desenvolvimento chocante, precisarão desenvolver uma teoria totalmente nova e testá-la em laboratório. Se tiverem sucesso, terão dado um pequeno mas vital passo para nos ajudar a compreender o estranho comportamento dos materiais supercondutores.
Publicado em 25/01/2024 00h43
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