p A luta para manter as bebidas geladas durante o verão é uma lição nas transições de fase clássicas. Para estudar as transições de fase, aplique calor a uma substância e observe como suas propriedades mudam. Adicione calor à água e no chamado "ponto crítico, "observe enquanto ele se transforma em gás (vapor). Remova o calor da água e observe-o se transformar em sólido (gelo). p Agora, imagine que você resfriou tudo a temperaturas muito baixas - tão baixas que todos os efeitos térmicos desaparecem. Bem-vindo ao reino quântico, onde a pressão e os campos magnéticos fazem com que novas fases surjam em um fenômeno chamado transições de fase quântica (QPT). Mais do que uma simples transição de uma fase para outra, QPT forma propriedades completamente novas, como supercondutividade, em certos materiais.

p Aplique tensão a um metal supercondutor, e os elétrons viajam pelo material sem resistência; a corrente elétrica fluirá para sempre sem diminuir a velocidade ou produzir calor. Alguns metais se tornam supercondutores em altas temperaturas, que tem aplicações importantes na transmissão de energia elétrica e processamento de dados baseado em supercondutores. Os cientistas descobriram o fenômeno há 30 anos, mas o mecanismo de supercondutividade permanece um enigma porque a maioria dos materiais é muito complexa para compreender a física QPT em detalhes. Uma boa estratégia seria primeiro olhar para sistemas de modelo menos complicados.

p Agora, Físicos e colaboradores da Universidade de Utah descobriram que nanofios supercondutores feitos de liga MoGe passam por transições de fase quântica de um estado de metal supercondutor para um estado normal de metal quando colocados em um campo magnético crescente a baixas temperaturas. O estudo é o primeiro a descobrir o processo microscópico pelo qual o material perde sua supercondutividade; o campo magnético separa pares de elétrons, chamados pares Cooper, que interagem com outros pares de Cooper e experimentam uma força de amortecimento de elétrons desemparelhados presentes no sistema.

p Os resultados são totalmente explicados pela teoria crítica proposta pelo co-autor Adrian Del Maestro, professor associado da Universidade de Vermont. A teoria descreveu corretamente como a evolução da supercondutividade depende da temperatura crítica, magnitude e orientação do campo magnético, área da seção transversal do nanofio, e as características microscópicas do material nanofio. Esta é a primeira vez no campo da supercondutividade que todos os detalhes de QPT previstos por uma teoria foram confirmados em objetos reais no laboratório.

p "As transições de fase quântica podem parecer muito exóticas, mas eles são observados em muitos sistemas, do centro das estrelas ao núcleo dos átomos, e de ímãs a isoladores, "disse Andrey Rogachev, professor associado da U e autor sênior do estudo. "Ao compreender as flutuações quânticas neste sistema mais simples, podemos falar sobre cada detalhe do processo microscópico e aplicá-lo a objetos mais complicados. "

p O estudo foi publicado online em 9 de julho, 2018 em Física da Natureza .

p Teórico encontra experimental

p Os físicos da matéria condensada estudam o que acontece aos materiais com todo o seu calor removido de duas maneiras - físicos experimentais desenvolvem materiais para testar em um laboratório, enquanto os físicos teóricos desenvolvem equações matemáticas para entender o comportamento físico. Esta pesquisa conta a história de como a teoria e o experimental se informaram e motivaram um ao outro.

p Como um pós-doutorado, Rogachev mostrou que a aplicação de campos magnéticos a nanofios sob baixas temperaturas distorce a supercondutividade. Ele entendeu os efeitos em temperaturas finitas, mas não chegou a nenhuma conclusão sobre o que acontece no "ponto crítico" onde a supercondutividade vacila. O trabalho dele, Contudo, inspirou o jovem físico teórico Adrian Del Maestro, um estudante de graduação em Harvard na época, desenvolver uma teoria crítica completa da transição de fase quântica.

p Na teoria de "quebra de pares" de Del Maestro, elétrons únicos provavelmente não colidem com as bordas do menor fio, já que até mesmo um único fio de átomos é grande se comparado ao tamanho de um elétron. Mas, disse Del Maestro, "dois elétrons que formam os pares responsáveis ​​pela supercondutividade podem estar distantes e agora o tamanho em nanoescala do fio torna mais difícil para eles viajarem juntos." Em seguida, adicione um poderoso campo magnético, que desembaraça pares curvando seus caminhos, e "os elétrons são incapazes de conspirar para formar o estado supercondutor, "disse Del Maestro.

p "Imagine que as bordas do fio e o campo magnético atuem como uma força de atrito que faz com que os elétrons não queiram se emparelhar tanto, "disse Del Maestro." Essa física deve ser universal. "O que é exatamente o que sua teoria e o novo experimento mostram.

p "Apenas alguns ingredientes-chave - dimensão espacial e existência de supercondutividade - são essenciais ao descrever as propriedades emergentes dos elétrons nas transições de fase quântica, ", disse ele. A incrível concordância entre os valores de condutividade que a teoria de Del Maestro previu há mais de uma década e os valores medidos no novo experimento estabelece um padrão poderoso para" a confirmação experimental da universalidade quântica, "Del Maestro disse, "e ressalta a importância da pesquisa em física fundamental."

p Nanofios de última geração

p Para testar a teoria de Del Maestro, Rogachev precisava de nanofios quase unidimensionais, com diâmetros menores que 20-30 nanômetros.

p "Na física teórica, sistemas unidimensionais desempenham um papel muito especial, já que para eles uma teoria exata pode ser desenvolvida ", disse Rogachev." No entanto, os sistemas unidimensionais são notoriamente difíceis de lidar experimentalmente. "

p Os nanofios MoGe são o elemento crucial de todo o estudo. Em seus dias de pós-doutorado, Rogachev só poderia fazer esses fios com 100 nanômetros de comprimento, muito curto para testar o regime crítico. Anos depois na U, ele e seu então aluno Hyunjeong Kim, autor principal do estudo, aprimorou um método existente de litografia por feixe de elétrons para desenvolver uma técnica de ponta.

p Noventa e nove por cento dos físicos criam nanoestruturas usando um método chamado litografia por feixe de elétrons positivo (e-feixe). Eles lançam um feixe de elétrons em um filme sensível a elétrons, em seguida, remova a parte exposta do filme para criar as estruturas necessárias. Muito menos físicos usam litografia de feixe eletrônico negativo, em que eles desenham sua estrutura com a e-beam, mas removem todo o filme não exposto. Este é o método que Kim comprou para o estado da arte, fabricação de nanofios finos com larguras abaixo de 10 nm.

p "Não é só porque os fazemos, mas podemos medi-los, "disse Rogachev." Muitas pessoas fazem partículas realmente pequenas, mas para realmente ser capaz de olhar para o transporte nesses fios, era como desenvolver uma nova técnica. "

p Para testar as transições de fase quântica, Rogachev trouxe os fios para Benjamin Sacépé e Frédéric Gay no Institut Néel em Grenoble, onde suas instalações são capazes de resfriar o material a 50 miliKelvin, aplicando campo magnético de várias intensidades e medindo a resistência dos fios para descrever como a supercondutividade se quebra. Os colaboradores franceses acrescentaram ao grupo anos de experiência em medição precisa de transporte, técnicas de rejeição de ruído e física quântica de supercondutores bidimensionais.

p "Após décadas de intensa pesquisa, ainda estamos longe de compreender totalmente a supercondutividade ", diz Tomasz Durakiewicz, diretor do programa de física da matéria condensada na National Science Foundation, que co-financia este trabalho. "Esses resultados avançam significativamente o campo, vinculando estreitamente o tangível, universo físico de nanofios e as transições de fase conduzidas por campo acontecendo em escala quântica. Ao fundir teoria e experimento, a equipe foi capaz de explicar a complexa relação entre condutividade e geometria, campos magnéticos e temperatura crítica, ao mesmo tempo em que propõe uma teoria da criticidade quântica que está em excelente acordo com as observações experimentais. "

p Levando a temperaturas mais altas

p Rogachev agora se prepara para testar nanofios feitos de cupratos. Cupratos têm uma transição de fase quântica entre um estado magnético e um estado normal, No ponto crítico, existem flutuações quânticas que, de acordo com várias teorias, promover o surgimento de supercondutividade. Os cupratos são frequentemente chamados de supercondutores de alta temperatura porque vão para o estado supercondutor na temperatura recorde de 90-155 K, um contraste com a temperatura crítica bastante pequena das ligas de MoGe em 3-7 K. Rogachev quer fazer fios de cupratos para entender o mecanismo microscópico da supercondutividade de alta temperatura.

p Outro caminho que ele deseja explorar com seus colaboradores em Grenoble é a transição de fase quântica em filmes supercondutores.

p "Agora temos essa parte da física resolvida, podemos passar para objetos mais complicados onde basicamente não sabemos exatamente o que está acontecendo, " ele disse.