As transições de fase ocorrem quando uma substância muda de um sólido, estado líquido ou gasoso para um estado diferente - como derretimento de gelo ou condensação de vapor. Durante essas transições de fase, há um ponto em que o sistema pode exibir propriedades de ambos os estados da matéria simultaneamente. Um efeito semelhante ocorre quando metais normais fazem a transição em supercondutores - as características flutuam e as propriedades que se espera pertencerem a um estado são transportadas para o outro.

Cientistas de Harvard desenvolveram um método baseado em bismuto, supercondutor bidimensional com apenas um nanômetro de espessura. Ao estudar as flutuações neste material ultrafino à medida que faz a transição para a supercondutividade, os cientistas obtiveram conhecimento sobre os processos que impulsionam a supercondutividade de maneira mais geral. Porque eles podem transportar correntes elétricas com resistência quase zero, à medida que são melhorados, materiais supercondutores terão aplicações em virtualmente qualquer tecnologia que use eletricidade.

Os cientistas de Harvard usaram a nova tecnologia para confirmar experimentalmente uma teoria de supercondutores de 23 anos desenvolvida pelo cientista Valerii Vinokur do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

Um fenômeno de interesse para os cientistas é a reversão completa do bem estudado efeito Hall quando os materiais fazem a transição para supercondutores. Quando um normal, material não supercondutor carrega uma corrente aplicada e está sujeito a um campo magnético, uma voltagem é induzida através do material. Este efeito Hall normal tem a voltagem apontando em uma direção específica dependendo da orientação do campo e da corrente.

Interessantemente, quando os materiais se tornam supercondutores, o sinal da voltagem Hall inverte. O final "positivo" do material se torna o "negativo". Este é um fenômeno conhecido. Mas, embora o efeito Hall tenha sido uma ferramenta importante que os cientistas usam para estudar os tipos de propriedades eletrônicas que tornam um material um bom supercondutor, a causa desse efeito Hall reverso permaneceu misteriosa para os cientistas por décadas, especialmente em relação a supercondutores de alta temperatura para os quais o efeito é mais forte.

Em 1996, teórico Vinokur, um distinto companheiro de Argonne, e seus colegas apresentaram uma descrição abrangente desse efeito (e mais) em supercondutores de alta temperatura. A teoria levou em consideração todas as forças motrizes envolvidas, e incluía tantas variáveis ​​que testá-lo experimentalmente parecia irrealista - até agora.

"Acreditamos que realmente havíamos resolvido esses problemas, "disse Vinokur, "mas as fórmulas pareciam inúteis na época, porque incluíam muitos parâmetros que eram difíceis de comparar com experimentos usando a tecnologia que existia então. "

Os cientistas sabiam que o efeito Hall reverso resulta de vórtices magnéticos que surgem no material supercondutor colocado no campo magnético. Vórtices são pontos de singularidade no líquido de elétrons supercondutores - pares de Cooper - em torno dos quais os pares de Cooper fluem, criando microcorrentes supercondutoras circulantes que trazem características novas na física do efeito Hall no material.

Normalmente, distribuição de elétrons no material causa a tensão Hall, mas em supercondutores, vórtices se movem sob a corrente aplicada, que cria diferenças de pressão eletrônica que são matematicamente semelhantes às que mantêm um avião em vôo. Essas diferenças de pressão mudam o curso da corrente aplicada como as asas de um avião mudam o curso do ar que passa, elevando o avião. O movimento do vórtice redistribui os elétrons de maneira diferente, mudando a direção da voltagem Hall para o oposto da voltagem Hall puramente eletrônica usual.

A teoria de 1996 descreveu quantitativamente os efeitos desses vórtices, que só foi compreendido qualitativamente. Agora, com um novo material que levou cinco anos para os cientistas de Harvard desenvolver, a teoria foi testada e confirmada.

O material fino à base de bismuto tem virtualmente apenas uma camada atômica de espessura, tornando-o essencialmente bidimensional. É um dos únicos de seu tipo, um supercondutor de alta temperatura de filme fino; a produção do material sozinho é um avanço tecnológico na ciência dos supercondutores.

"Ao reduzir as dimensões de três para dois, as flutuações das propriedades do material tornam-se muito mais aparentes e fáceis de estudar, "disse Philip Kim, um cientista líder do grupo Harvard. "Criamos uma forma extrema do material que nos permitiu abordar quantitativamente a teoria de 1996."

Uma previsão da teoria era que o efeito Hall reverso anômalo poderia existir fora das temperaturas nas quais o material é um supercondutor. Este estudo ofereceu uma descrição quantitativa do efeito que correspondeu perfeitamente às previsões teóricas.

"Antes de termos certeza do papel dos vórtices no efeito Hall reverso, não poderíamos usá-lo de forma confiável como uma ferramenta de medição, "disse Vinokur." Agora que sabemos que estávamos certos, podemos usar a teoria para estudar outras flutuações na fase de transição, em última análise, levando a uma melhor compreensão dos supercondutores. "

Embora o material neste estudo seja bidimensional, os cientistas acreditam que a teoria se aplica a todos os supercondutores. Pesquisas futuras incluirão um estudo mais profundo dos materiais - o comportamento dos vórtices tem até aplicações em pesquisas matemáticas.

Vórtices são exemplos de objetos topológicos, ou objetos com propriedades geométricas exclusivas. Eles são atualmente um tópico popular na matemática por causa das maneiras como se formam e deformam e como alteram as propriedades de um material. As teorias de 1996 usaram topologia para descrever o comportamento dos vórtices, e as propriedades topológicas da matéria poderiam trazer muitas novas físicas.

"Às vezes você descobre algo novo e exótico, "disse Vinokur sobre a pesquisa, "mas às vezes você apenas confirma que sim, Afinal, compreender o comportamento das coisas do dia-a-dia que estão bem na sua frente. "

Um artigo que descreve os resultados do estudo, intitulado "Sinal reverso do efeito Hall em supercondutores atomicamente finos de alta temperatura, "foi publicado em 21 de junho em Cartas de revisão física .