Pela primeira vez, os físicos validaram experimentalmente uma conjectura de 1959 que impõe limites ao tamanho dos supercondutores. Espera-se que a compreensão da supercondutividade (ou a falta dela) em nanoescala seja importante para projetar computadores quânticos futuros, entre outras aplicações.

Em 1959, físico P.W. Anderson conjeturou que a supercondutividade pode existir apenas em objetos que são grandes o suficiente para atender a certos critérios. Nomeadamente, a energia da lacuna supercondutora do objeto deve ser maior do que o espaçamento do nível de energia eletrônica - e esse espaçamento aumenta à medida que o tamanho diminui. O ponto de corte (onde os dois valores são iguais) corresponde a um volume de cerca de 100 nm ³ . Até agora não foi possível testar experimentalmente o limite de Anderson devido aos desafios em observar efeitos supercondutores nesta escala.

No novo estudo publicado em Nature Communications , Sergio Vlaic e co-autores da Universidade Paris Sciences et Lettres e do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS) projetaram um nanossistema que lhes permitiu investigar experimentalmente o limite de Anderson pela primeira vez.

O limite de Anderson surge porque, em escalas muito pequenas, os mecanismos subjacentes à supercondutividade essencialmente param de funcionar. Em geral, a supercondutividade ocorre quando os elétrons se unem para formar pares de Cooper. Os pares de Cooper têm uma energia ligeiramente menor do que os elétrons individuais, e essa diferença de energia é a energia do gap supercondutor. A energia mais baixa dos pares de Cooper inibe as colisões de elétrons que normalmente criam resistência. Se a energia da lacuna supercondutora ficar muito pequena e desaparecer, o que pode ocorrer, por exemplo, quando a temperatura aumenta - então as colisões de elétrons recomeçam e o objeto deixa de ser um supercondutor.

O limite de Anderson mostra que o tamanho pequeno é outra maneira de um objeto deixar de ser um supercondutor. Contudo, ao contrário dos efeitos do aumento da temperatura, isso não ocorre porque objetos menores têm uma energia de lacuna supercondutora menor. Em vez de, surge porque os cristais menores têm menos elétrons, e, portanto, menos níveis de energia de elétrons, do que os cristais maiores. Uma vez que a energia eletrônica total possível de um elemento permanece a mesma, independentemente do tamanho, cristais menores têm espaçamentos maiores entre seus níveis de energia eletrônica do que os cristais maiores.

De acordo com Anderson, este grande espaçamento do nível de energia eletrônica deve representar um problema, e ele esperava que a supercondutividade desaparecesse quando o espaçamento se tornasse maior do que a energia da lacuna supercondutora. O motivo disso, de um modo geral, é que uma consequência do aumento do espaçamento é uma diminuição da energia potencial, que interfere na competição entre a energia cinética e potencial necessária para que a supercondutividade ocorra.

Para investigar o que acontece com a supercondutividade de objetos em torno do limite de Anderson, os cientistas no novo estudo prepararam grandes quantidades de nanocristais de chumbo isolados variando em volume de 20 a 800 nm ³ .

Embora eles não pudessem medir diretamente a supercondutividade de tais objetos minúsculos, os pesquisadores puderam medir algo chamado efeito de paridade, que resulta da supercondutividade. Quando um elétron é adicionado a um supercondutor, a energia adicional é parcialmente afetada pelo fato de haver um número par ou ímpar de elétrons (a paridade), que se deve aos elétrons que formam pares de Cooper. Se os elétrons não formarem pares de Cooper, não há efeito de paridade, indicando nenhuma supercondutividade.

Embora o efeito de paridade tenha sido observado anteriormente em grandes supercondutores, este estudo é a primeira vez que foi observado em pequenos nanocristais se aproximando do limite de Anderson. De acordo com as previsões de Anderson de mais de 50 anos atrás, os pesquisadores observaram o efeito de paridade para nanocristais maiores, mas não para os menores nanocristais abaixo de aproximadamente 100 nm ³ .

Os resultados não apenas validam a conjectura de Anderson, mas também se estendem a uma área mais geral, os modelos Richardson-Gaudin. Esses modelos são equivalentes à teoria convencional da supercondutividade, a teoria Bardeen Cooper Schrieffer, para objetos muito pequenos.

"Nossa demonstração experimental da conjectura de Anderson também é uma demonstração da validade dos modelos de Richardson-Gaudin, "o co-autor Hervé Aubin da University Paris Sciences et Lettres e CNRS disse Phys.org . "Os modelos de Richardson-Gaudin são uma peça importante de trabalhos teóricos porque podem ser resolvidos com exatidão e se aplicam a uma ampla gama de sistemas; não apenas a nanocristais supercondutores, mas também a núcleos atômicos e gás atômico fermiônico frio, onde prótons e nêutrons, que são férmions como elétrons, também pode formar pares Cooper. "

Do lado mais prático, os pesquisadores esperam que os resultados tenham aplicações em futuros computadores quânticos.

"Uma das aplicações mais interessantes de ilhas supercondutoras é seu uso como caixas de pares de Cooper empregadas em bits quânticos, a unidade elementar de um computador quântico hipotético, "Aubin disse." Até agora, As caixas de pares de Cooper usadas em qubits são muito maiores do que o limite de Anderson. Ao reduzir o tamanho da caixa de pares Cooper, os engenheiros de computação quântica eventualmente terão que lidar com a supercondutividade no limite de Anderson. "

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