Profundamente dentro de sólidos, elétrons individuais voam em uma rodovia em nanoescala pavimentada com átomos. Em geral, esses elétrons se evitam, mantidos em pistas separadas por sua repulsão mútua. Mas as vibrações na estrada atômica podem confundir seus caminhos e às vezes permitir que as partículas minúsculas se emparelhem. O resultado é uma viagem suave e sem perdas, e é uma forma de criar supercondutividade.

Mas existem outros, formas menos comuns de obter esse efeito. Cientistas da Universidade de Maryland (UMD), a Universidade da Califórnia, Irvine (UCI) e a Fudan University mostraram agora que minúsculos tremores magnéticos levam à supercondutividade em um material feito de nanocamadas metálicas. E, além disso, os pares de elétrons resultantes quebram uma simetria fundamental entre o passado e o futuro. Embora o material seja um supercondutor conhecido, esses pesquisadores fornecem um modelo teórico e medição, que, pela primeira vez, revela de forma inequívoca a natureza exótica do material.

Em materiais quânticos, quebrar a simetria entre o passado e o futuro muitas vezes significa fases não convencionais da matéria. A amostra de níquel-bismuto (Ni-Bi) estudada aqui é o primeiro exemplo de um material 2-D onde este tipo de supercondutividade é intrínseca, o que significa que isso acontece sem a ajuda de agentes externos, como um supercondutor próximo. Estes achados, publicado recentemente em Avanços da Ciência , tornam o Ni-Bi uma escolha atraente para uso em futuros computadores quânticos. Esta pesquisa também pode ajudar os cientistas em sua busca por outros supercondutores estranhos semelhantes.

Mehdi Kargarian, um pesquisador de pós-doutorado na UMD e um co-autor do artigo, explica que mesmo depois de um século de estudo, a supercondutividade continua sendo uma área vibrante de pesquisa. "É um problema bastante antigo, por isso é surpreendente que as pessoas ainda estejam descobrindo tipos de supercondutividade sem precedentes no laboratório, "Kargarian diz, acrescentando que normalmente há duas perguntas que os cientistas fazem a um novo supercondutor. "Primeiro, queremos entender o emparelhamento de elétrons subjacente - o que está causando a supercondutividade, "ele diz." A segunda coisa, relacionados a aplicativos, é ver se a supercondutividade é possível em temperaturas mais altas. "

Supercondutores, particularmente os tipos exóticos, em grande parte permanecem acorrentados a equipamentos criogênicos de difícil manejo. Os cientistas estão procurando maneiras de aumentar as temperaturas supercondutoras, tornando esses materiais mais fáceis de usar para coisas como distribuição de eletricidade aprimorada e dispositivos quânticos de construção. Nesta nova pesquisa, a equipe aborda a primeira questão de Kargarian e o material sugere uma perspectiva positiva para a segunda questão. Sua exótica supercondutividade, embora ainda criogênico, ocorre a uma temperatura mais elevada em comparação com outros sistemas semelhantes.

A supercondutividade Ni-Bi foi observada pela primeira vez no início dos anos 1990. Mas depois, quando os cientistas da Fudan University publicaram estudos de um ultrapuro, amostra ultrafina, eles notaram algo incomum acontecendo.

A estranheza começa com a própria supercondutividade. O bismuto sozinho não é um supercondutor, exceto sob temperaturas extraordinariamente baixas e alta pressão - condições que não são fáceis de alcançar. O níquel é magnético e não supercondutor. Na verdade, ímãs fortes são conhecidos por suprimir o efeito. Isso significa que muito níquel destrói a supercondutividade, mas uma pequena quantidade o induz.

Os teóricos do UMD propuseram que as flutuações no magnetismo do níquel estão no cerne desse efeito peculiar. Esses minúsculos tremores magnéticos ajudam os elétrons a formar pares, fazendo assim o trabalho executado por vibrações em supercondutores convencionais. Se houver muito níquel, o magnetismo domina e o efeito das flutuações diminui. Se houver muito bismuto, então a superfície superior, onde a supercondutividade ocorre, está muito longe da fonte de flutuações magnéticas.

A zona de goldilocks ocorre quando uma camada de bismuto de 20 nanômetros de espessura é cultivada em cima de dois nanômetros de níquel. Para esta combinação de camadas, a supercondutividade ocorre em cerca de 4 graus acima do zero absoluto. Embora seja tão frio quanto o espaço profundo, na verdade, é bastante amigável em laboratório e acessível com o uso de equipamento criogênico padrão.

A ideia de que as flutuações magnéticas podem promover a supercondutividade não é nova e remonta ao final do século XX. Contudo, a maioria dos exemplos anteriores de tal comportamento exige condições operacionais estritas, como alta pressão. Os pesquisadores explicam que o Ni-Bi é diferente porque o resfriamento direto é suficiente para atingir esse tipo de supercondutividade exótica, que quebra a simetria do tempo.

Os pesquisadores empregaram um aparelho altamente customizado para buscar sinais de simetria quebrada. A luz deve girar quando refletida em amostras que possuem esta propriedade. Para Ni-Bi, a quantidade esperada de rotação da luz é de dezenas de nanorradianos, que é cerca de 100 bilionésimos de um tique no mostrador do relógio. Jing Xia, co-autor do artigo e professor da UCI, tem um dos únicos dispositivos no mundo capaz de medir uma rotação de luz tão imperceptível.

A fim de medir esta rotação para Ni-Bi, as ondas de luz são injetadas primeiro em uma das extremidades de uma única fibra óptica de uso especial. As duas ondas viajam através da fibra, como se estivesse em caminhos independentes. Eles acertam a amostra e, em seguida, refazem seus caminhos. Ao retornar, as ondas são combinadas e formam um padrão. Rotações das ondas de luz - de, dizer, quebra de simetria - aparecerá no padrão analisado como pequenas traduções. Xia e seus colegas da UCI mediram cerca de 100 nanorradianos de rotação, confirmando a simetria quebrada. Mais importante, o efeito apareceu assim que a amostra Ni-Bi se tornou um supercondutor, sugerindo que a simetria de tempo quebrada e o aparecimento de supercondutividade estão fortemente ligados.

Essa forma de supercondutividade é rara e os pesquisadores afirmam que ainda não existe uma receita para que isso aconteça. Mas, como Xia aponta, há orientação na matemática por trás do comportamento do elétron. "Nós sabemos matematicamente como fazer pares de elétrons quebrarem a simetria de reversão do tempo, "Diz Xia. Praticamente, como você consegue isso de forma formular? Essa é a pergunta de um milhão de dólares. Mas meu instinto é que quando você obtém supercondutividade mediada por flutuação magnética, como neste material, então é muito provável que você rompa essa simetria. "