A aplicação de campos magnéticos grandes o suficiente resulta na interrupção dos estados supercondutores nos materiais, mesmo em temperaturas drasticamente baixas, assim, transformando-os diretamente em isolantes - ou assim se pensava tradicionalmente. Agora, cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), a Universidade de Tóquio e a Universidade de Tohoku relatam curiosas transições de múltiplos estados desses supercondutores, nas quais eles mudam de supercondutor para metal especial e depois para isolante.

Caracterizado por sua resistência elétrica zero, ou alternativamente, sua capacidade de expulsar completamente campos magnéticos externos, supercondutores têm perspectivas fascinantes para a física fundamental e aplicações para, por exemplo, bobinas supercondutoras para ímãs. Este fenômeno é compreendido considerando uma relação altamente ordenada entre os elétrons do sistema. Devido a uma coerência em todo o sistema, elétrons formam pares limitados e fluem sem colisões como um coletivo, resultando em um estado de condução perfeito sem dissipação de energia. Contudo, ao introduzir um campo magnético, os elétrons não são mais capazes de manter sua relação coerente, e a supercondutividade é perdida. Para uma determinada temperatura, o campo magnético mais alto sob o qual um material permanece supercondutor é conhecido como campo crítico.

Freqüentemente, esses pontos críticos são marcados por transições de fase. Se a mudança for abrupta como no caso do derretimento do gelo, é uma transição de primeira ordem. Se a transição ocorrer de maneira gradual e contínua pelo crescimento das flutuações que impulsionam a mudança que se estendem por todo o sistema, é chamada de transição de segunda ordem. Estudar o caminho de transição dos supercondutores quando submetidos ao campo crítico pode gerar insights sobre os processos quânticos envolvidos e nos permite projetar supercondutores (SCs) mais inteligentes para aplicação em tecnologias avançadas.

Interessantemente, supercondutores bidimensionais (2-D SCs) são os candidatos perfeitos para estudar este tipo de transições de fase e um desses novos candidatos é uma camada mono-unitária de NbSe ₂ . Como a dimensão menor (espessura) do supercondutor implica em um número menor de possíveis parceiros para os elétrons formarem pares supercondutores, a menor perturbação pode definir uma transição de fase. Além disso, 2-D SC é relevante do ponto de vista de aplicações em eletrônica de pequena escala.

Em tais materiais, elevar o campo magnético aplicado além de um valor crítico leva a um estado difuso no qual o campo magnético penetra no material, mas a resistência ainda é mínima. É apenas com o aumento do campo magnético que a supercondutividade é destruída e o material se torna um isolante comum. Isso é chamado de transição de fase supercondutor para isolador. Como esse fenômeno é observado em temperaturas muito baixas, as flutuações quânticas no sistema tornam-se comparáveis ​​a, ou ainda maior do que, as flutuações térmicas clássicas. Portanto, isso é chamado de transição de fase quântica.

Para entender o caminho da transição de fase, bem como o estado difuso ou misto que existe entre as intensidades de campo críticas no NbSe ₂ supercondutor ultrafino, um grupo de pesquisadores mediu a magnetorresistência do material (ver Fig. 1), ou a resposta da resistividade de um SC quando sujeito a um campo magnético externo. O professor Ichinokura diz:"Usando uma sonda de quatro pontos, estimamos o campo magnético crítico nos respectivos limites de fase quântica no NbSe de camada única ₂ . "(ver Fig. 2)

Eles descobriram que quando um pequeno campo magnético é aplicado ao SC, o fluxo coerente de elétrons é quebrado, mas os pares de elétrons ainda permanecem. Isso se deve ao movimento dos vórtices; os vórtices em movimento criam uma resistência finita. A origem desta resistência mínima foi interpretada como o material entrando em um estado especial de metal Bose (BM), que mudou para um estado de isolamento ao aumentar ainda mais o campo magnético. A equipe também descobriu que a transição entre os estados normal e SC em torno da temperatura crítica foi impulsionada por flutuações quânticas, também refletindo uma via de multitransição semelhante. Professor Ichinokura diz, "A análise de escala com base no modelo do metal Bose explicou a transição em duas etapas, sugerindo a existência de um estado fundamental bosônico. "

Este estudo reforça as afirmações teóricas de transições multifásicas em supercondutores graças à amostra mais fina de espessura em escala atômica, e empurra os limites da pesquisa ainda mais.