Nos últimos anos, muitos cientistas de materiais em todo o mundo têm investigado o potencial de materiais bidimensionais (2D), que são compostos de uma única camada ou de algumas camadas ultrafinas de átomos e têm propriedades físicas, elétricas e ópticas únicas.
Pesquisadores da University of Minnesota e da Cornell University realizaram recentemente um estudo investigando a supercondutividade do disseleneto de nióbio de poucas camadas (NbSe2), um metal de transição em camadas que exibe um acoplamento spin-órbita do tipo Ising intrínseco único. Seu artigo, publicado na Nature Physics, mostra que o estado supercondutor de NbSe2 de poucas camadas tem uma simetria dupla, que difere muito da estrutura de seus cristais.
“Há um enorme interesse em materiais bidimensionais, como NbSe2, porque quando são preparados para ter apenas algumas camadas atômicas de espessura, muitas vezes têm novas propriedades, que não estão presentes em amostras espessas do mesmo material”, Vlad S Pribiag, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. “Por exemplo, NbSe2 é um supercondutor em sua forma volumosa, mas quando amostras de poucas camadas são preparadas, a simetria do cristal muda, tornando a supercondutividade muito mais resiliente aos campos magnéticos aplicados. Isso foi descoberto por alguns dos coautores há alguns anos atrás e serviu como um impulso para o nosso trabalho. ”
No passado, os pesquisadores previram que o NbSe2 poderia ser um supercondutor topológico. Supercondutores topológicos são uma classe única de supercondutores com propriedades topológicas não triviais. Esses supercondutores únicos têm atraído um interesse significativo, pois podem evitar que os bits quânticos percam as informações que armazenam; assim, eles poderiam permitir a criação de novos computadores quânticos protegidos topologicamente.
O trabalho recente de Pribiag e seus colegas se inspira em estudos anteriores que exploram a possibilidade de que o NbSe2 seja um supercondutor topológico. Em seus experimentos, os pesquisadores investigaram especificamente a supercondutividade topológica do NbSe2, que tem apenas algumas camadas atômicas de espessura.
“Descobrimos que o estado supercondutor de poucas camadas NbSe2 tem uma simetria dupla, que é notavelmente distinta da simetria tripla do cristal (ou seja, o cristal parece o mesmo se girado em 120 graus, mas as propriedades do estado supercondutor repetir ao girar 180 graus) “, explicou Pribiag. “Essa simetria dupla é consistente com a presença de dois estados supercondutores concorrentes que estão muito próximos em energia: um deles pode estar relacionado à supercondutividade topológica – e agora estamos trabalhando em experimentos de acompanhamento que visam determinar isso.”
Em seus experimentos, Pribiag e seus colegas descobriram que a anisotropia (ou seja, uma propriedade que permite que os materiais mudem suas características físicas quando medidos ao longo dos eixos do cristal em diferentes direções) apareceu quando eles giraram um campo magnético no plano da amostra. Os pesquisadores investigaram essa observação usando dois tipos diferentes de amostras.
Em um tipo de amostra, eles mediram o campo crítico (ou seja, o campo no qual a supercondutividade desaparece). O segundo tipo de amostra, estudado pela equipe da Universidade Cornell, tinha uma fina camada isolante entre o NbSe2 e um material magnético, que permitia o túnel para o NbSe2. Os dois conjuntos de medições que eles coletaram mostraram uma anisotropia dupla.
“Os átomos em NbSe2 estão alinhados em um padrão triangular periódico e, portanto, as propriedades físicas dentro devem exibir uma simetria rotacional de três vezes (ou seja, girar o sistema ou ambiente em torno dele em 120 graus deve resultar em propriedades físicas indistinguíveis das anteriores a rotação) “, disse Ke Wang, outro pesquisador envolvido no estudo, ao Phys.org. “No entanto, observamos uma simetria rotacional dupla do estado supercondutor em NbSe2 de poucas camadas sob campos magnéticos externos no plano, em contraste com a simetria tripla da rede.”
De acordo com a teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), uma teoria da física bem estabelecida que explica a supercondutividade, dois elétrons podem emparelhar-se para formar um par denominado par Bosônico (ou seja, par de Cooper). Esses pares, então, contribuem para a formação de um superfluido de elétrons sem dissipação, o que leva à supercondutividade.
Em NbSe2 tridimensional (3D) de camadas espessas, os mecanismos de emparelhamento descritos pela teoria BCS exibem uma instabilidade de onda s convencional. Por outro lado, quando o NbSe2 se aproxima dos limites 2D, um mecanismo de emparelhamento não convencional envolvendo elétrons de ondas d ou p pode ocorrer na presença de um forte acoplamento spin-órbita.
“Em nossas amostras de poucas camadas que ligam os limites 2D e 3D, as duas instabilidades de emparelhamento acima se misturam e competem entre si e levam à supercondutividade simétrica de 2 vezes que observamos”, explicou Wang.
Pribiag, Wang e seus colegas foram os primeiros a reunir evidências claras do mecanismo de emparelhamento não convencional que ocorre em 2D NbSe2 com algumas camadas de átomos. Além de ampliar a compreensão atual do 2D NbSe2 e de suas propriedades, as descobertas que coletaram levantam questões fundamentais sobre a origem das interações de emparelhamento incomuns que observaram.
“Nossa pesquisa futura se concentrará em responder a muitas questões fundamentais sobre os mecanismos exóticos de emparelhamento que levaram à nossa recente descoberta”, disse Wang. “Por exemplo, a anisotropia dupla é o resultado da supercondutividade nemática espontânea, ou forte mistura de lacunas desencadeada por um pequeno campo de quebra de simetria, como tensão? A supercondutividade topológica desempenha um papel? Guiados por nossos colaboradores da teoria, iremos investigar amostras com diferentes espessuras e tensões atômicas que nos darão controle sobre a competição entre os diferentes parâmetros de ordem. ”
Publicado em 15/05/2021 20h19
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