Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) abordam o mistério de duas décadas de por que um estado metálico anômalo aparece na transição supercondutor-isolante em supercondutores 2-D. Por meio de medições experimentais de um efeito termoelétrico, eles descobriram que o estado líquido quântico dos vórtices quânticos causa o estado metálico anômalo. Os resultados esclarecem a natureza da transição e podem ajudar no projeto de dispositivos supercondutores para computadores quânticos.

O estado supercondutor, em que a corrente flui com resistência elétrica zero, tem fascinado os físicos desde sua descoberta em 1911. Ele tem sido amplamente estudado não apenas por causa de suas aplicações potenciais, mas também para obter uma melhor compreensão dos fenômenos quânticos. Embora os cientistas saibam muito mais sobre este estado peculiar agora do que no século 20, parece não haver fim para os mistérios que os supercondutores guardam.

Um famoso, um exemplo tecnologicamente relevante é a transição supercondutor-isolante (SIT) em materiais bidimensionais (2-D). Se alguém resfriar filmes finos de certos materiais até a temperatura quase zero absoluta e aplicar um campo magnético externo, os efeitos das flutuações térmicas são suprimidos o suficiente para que fenômenos puramente quânticos (como a supercondutividade) dominem macroscopicamente. Embora a mecânica quântica preveja que o SIT é uma transição direta de um estado para outro, vários experimentos mostraram a existência de um estado metálico anômalo entre as duas fases.

Até aqui, a origem deste misterioso estado intermediário iludiu os cientistas por mais de duas décadas. É por isso que uma equipe de cientistas do Departamento de Física da Tokyo Tech, Japão, recentemente começou a encontrar uma resposta para a pergunta em um estudo publicado em Cartas de revisão física . Professor Assistente Koichiro Ienaga, quem liderou o estudo, explica sua motivação, “Existem teorias que tentam explicar a origem da resistência dissipativa à temperatura zero em supercondutores 2-D, mas nenhuma demonstração experimental definitiva usando medições de resistência foi feita para esclarecer inequivocamente por que o SIT difere dos modelos de transição de fase quântica esperados. "

Os cientistas empregaram um filme fino amorfo de molibdênio-germânio (MoGe) resfriado a uma temperatura extremamente baixa de 0,1 K e aplicaram um campo magnético externo. Eles mediram um efeito termoelétrico transversal através do filme chamado de "efeito Nernst, "que pode sondar de forma sensível e seletiva as flutuações supercondutoras causadas pelo fluxo magnético móvel. Os resultados revelaram algo importante sobre a natureza do estado metálico anômalo:o" estado líquido quântico "dos vórtices quânticos causa o estado metálico anômalo. O estado líquido quântico é o estado peculiar em que as partículas não estão congeladas mesmo em temperatura zero por causa das flutuações quânticas.

Mais importante, os experimentos descobriram que o estado metálico anômalo emerge da criticidade quântica; a região crítica quântica alargada peculiar na temperatura zero corresponde ao estado metálico anômalo. Isso está em forte contraste com o "ponto" crítico quântico na temperatura zero no SIT comum. As transições de fase mediadas por flutuações puramente quânticas (pontos críticos quânticos) têm sido enigmas de longa data na física, e este estudo nos coloca um passo mais perto de compreender o SIT para supercondutores 2-D. Empolgado com os resultados gerais, Ienaga observa, "Detectando flutuações supercondutoras com precisão em um regime puramente quântico, como fizemos neste estudo, abre uma nova maneira para dispositivos supercondutores de próxima geração, incluindo q-bits para computadores quânticos. "

Agora que este estudo lançou luz sobre o mistério SIT de duas décadas, mais pesquisas serão necessárias para obter uma compreensão mais precisa das contribuições dos vórtices quânticos no estado metálico anômalo. Esperemos que o imenso poder da supercondutividade esteja logo ao nosso alcance!