Os cientistas detectaram, por meio de transporte de elétrons e medições de tunelamento (contatos cinza), um estado supercondutor convencional / não convencional misto em folhas de NbSe2 com alguns átomos de espessura (círculos azuis e amarelos). NbSe2 é um material bidimensional que tem atraído muita atenção para a exploração de novos estados supercondutores devido ao forte acoplamento spin-órbita de seus átomos de metais de transição pesados. Ao aplicar campos magnéticos no plano (seta vermelha) até 35T em vários ângulos θ, um sinal simétrico duplo (elipse roxa) na resistência e condutância de tunelamento é encontrado no regime supercondutor. Esta simetria observada, que ocorre apesar da falta de uma estrutura dupla no material, sugere interações não triviais que levam aos sinais medidos. Esta observação é atribuída à mistura do isotrópico convencional (onda s, círculo azul) lacuna supercondutora com um anisotrópico não convencional (onda p ou d, lóbulos vermelhos) lacuna supercondutora. Esta descoberta inesperada abre caminho para novas investigações sobre como esse comportamento duplo pode surgir, bem como informar estudos futuros sobre supercondutividade mista e não convencional em materiais bidimensionais. Crédito:Hamill et al.
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 possuem características físicas únicas, propriedades elétricas e ópticas.
Pesquisadores da Universidade de Minnesota e da Universidade Cornell realizaram recentemente um estudo investigando a supercondutividade de disseleneto de nióbio de poucas camadas (NbSe 2 ), um metal de transição em camadas que exibe um acoplamento spin-órbita do tipo Ising intrínseco único. Seu papel, publicado em Física da Natureza , mostra que o estado supercondutor de NbSe de poucas camadas 2 tem uma simetria dupla, que difere muito da estrutura de seus cristais.
"Há um enorme interesse em materiais bidimensionais, como NbSe 2 , porque quando eles estão preparados para ter apenas algumas camadas atômicas de espessura, eles costumam ter novas propriedades, que não estão presentes em amostras espessas do mesmo material, "Vlad S. Pribiag, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Por exemplo, NbSe 2 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 co-autores há alguns anos e serviu como um impulso para o nosso trabalho. "
No passado, pesquisadores previram que NbSe 2 poderia ser um supercondutor topológico. Supercondutores topológicos são uma classe única de supercondutores com propriedades topológicas não triviais. Esses supercondutores únicos atraíram um interesse significativo, pois podem evitar que os bits quânticos percam as informações que armazenam; portanto, 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 NbSe 2 é um supercondutor topológico. Em seus experimentos, os pesquisadores investigaram especificamente a supercondutividade topológica do NbSe 2 isso tem apenas algumas camadas atômicas de espessura.
"Descobrimos que o estado supercondutor de poucas camadas NbSe 2 tem uma simetria dupla, que é notavelmente distinto da simetria tripla do cristal (isto é, o cristal parece o mesmo se girado em 120 graus, mas as propriedades do estado supercondutor se repetem ao girar 180 graus), "Pribiag explicou." 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 de sua 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 Cornell University, tinha uma fina camada isolante entre o NbSe 2 e um material magnético, o que lhes permitiu criar um túnel para o NbSe 2 . Os dois conjuntos de medições que eles coletaram mostraram uma anisotropia dupla.
"Átomos em NbSe 2 estão alinhados em um padrão triangular periódico e, portanto, espera-se que as propriedades físicas contidas exibam uma simetria rotacional tripla (isto é, girar o sistema ou ambiente em torno dele em 120 graus deve resultar em propriedades físicas indistinguíveis daquelas antes da rotação), "Ke Wang, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Contudo, em vez disso, observamos uma simetria rotacional dupla do estado supercondutor em NbSe de poucas camadas 2 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 uns com os outros para formar um par denominado par Bosônico (isto é, Par de Cooper). Esses pares, então, contribuem para a formação de um superfluido de elétrons sem dissipação, o que leva à supercondutividade.
Em camadas espessas, NbSe tridimensional (3D) 2 , os mecanismos de emparelhamento descritos pela teoria BCS exibem uma instabilidade de onda s convencional. Por outro lado, quando NbSe 2 aproxima-se 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 levar à supercondutividade simétrica de 2 vezes que observamos, "Wang explicou.
Pribiag, Wang e seus colegas foram os primeiros a reunir evidências claras do mecanismo de emparelhamento não convencional que ocorre em NbSe 2D 2 com algumas camadas de átomos. Além de ampliar o conhecimento atual de NbSe 2D 2 e suas propriedades, as descobertas que coletaram levantam questões fundamentais sobre a origem das interações incomuns de emparelhamento 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, é a anisotropia de 2 vezes 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? Guiado por nossos colaboradores teóricos, vamos investigar amostras com espessuras e deformações atômicas variadas, o que nos dará controle sobre a competição entre os diferentes parâmetros de ordem. "
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