Pesquisadores da Universidade de Maryland, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), o National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) e a Universidade de Oxford observaram um fenômeno raro chamado supercondutividade reentrante no ditelureto de urânio material. A descoberta apóia o caso do ditelureto de urânio como um material promissor para uso em computadores quânticos.

Apelidado de "supercondutividade de Lázaro" em homenagem ao personagem bíblico que ressuscitou dos mortos, o fenômeno ocorre quando surge um estado supercondutor, quebra, então reaparece em um material devido a uma mudança em um parâmetro específico - neste caso, a aplicação de um campo magnético muito forte. Os pesquisadores publicaram seus resultados em 7 de outubro, 2019, no jornal Física da Natureza .

Uma vez rejeitado pelos físicos por sua aparente falta de propriedades físicas interessantes, O ditelureto de urânio está tendo seu próprio momento Lázaro. O estudo atual é o segundo em alguns meses (ambos publicados por membros da mesma equipe de pesquisa) a demonstrar estados de supercondutividade incomuns e surpreendentes no material.

"Este é um supercondutor recentemente descoberto com uma série de outros comportamentos não convencionais, então já é estranho, "disse Nicholas Butch, um professor assistente adjunto de física na UMD e um físico no NIST Center for Neutron Research. “[A supercondutividade de Lazarus] quase certamente tem algo a ver com a novidade do material. Há algo diferente acontecendo ali”.

A pesquisa anterior, publicado em 16 de agosto, 2019 na revista Science, descreveu o raro e exótico estado fundamental conhecido como supercondutividade spin-triplet em ditelureto de urânio. A descoberta marcou a primeira pista de que o ditelureto de urânio vale uma segunda olhada, devido às suas propriedades físicas incomuns e seu alto potencial para uso em computadores quânticos.

"Este é realmente um material notável e está nos mantendo muito ocupados, "disse Johnpierre Paglione, um professor de física na UMD, o diretor do Centro de Nanofísica e Materiais Avançados da UMD (CNAM; em breve será rebatizado de Centro de Materiais Quânticos) e co-autor do artigo. "O ditelureto de urânio pode muito bem se tornar o supercondutor tripleto de spin 'didático' que as pessoas procuram há dezenas de anos e provavelmente tem mais surpresas guardadas. Pode ser o próximo rutenato de estrôncio - outro supercondutor tripleto de spin proposto que tem sido estudou por mais de 25 anos. "

Supercondutividade é um estado no qual os elétrons viajam através de um material com eficiência perfeita. Por contraste, o cobre - que só perde para a prata em termos de capacidade de conduzir elétrons - perde cerca de 20% de energia nas linhas de transmissão de longa distância, à medida que os elétrons se chocam dentro do material durante a viagem.

A supercondutividade de Lázaro é especialmente estranha, porque campos magnéticos fortes geralmente destroem o estado supercondutor na grande maioria dos materiais. No ditelureto de urânio, Contudo, um forte campo magnético acoplado a condições experimentais específicas fez com que a supercondutividade de Lazarus surgisse não apenas uma vez, mas duas vezes.

Para Butch, Paglione e sua equipe, a descoberta dessa forma rara de supercondutividade no ditelureto de urânio foi acidental; o autor principal do estudo, Sheng Ran, pesquisador associado do CNAM, sintetizou o cristal acidentalmente ao tentar produzir outro composto à base de urânio. A equipe decidiu tentar alguns experimentos de qualquer maneira, embora pesquisas anteriores sobre o composto não tivessem revelado nada de incomum.

A curiosidade da equipe logo foi recompensada muitas vezes. No artigo anterior da Science, os pesquisadores relataram que a supercondutividade do ditelureto de urânio envolveu configurações eletrônicas incomuns, chamadas tripletos de spin, em que pares de elétrons estão alinhados na mesma direção. Na grande maioria dos supercondutores, as orientações - chamadas de spins - de elétrons emparelhados apontam em direções opostas. Esses pares são (um tanto contra-intuitivamente) chamados de singlets. Os campos magnéticos podem interromper mais facilmente os singuletos, matando a supercondutividade.

Supercondutores tripletos de giro, Contudo, pode suportar campos magnéticos muito mais elevados. As primeiras descobertas da equipe os levaram à NHMFL, onde uma combinação única de ímãs de campo muito alto, a instrumentação capaz e a experiência dos residentes permitiram que os pesquisadores levassem o ditelureto de urânio ainda mais longe.

No laboratório, a equipe testou ditelureto de urânio em alguns dos mais altos campos magnéticos disponíveis. Ao expor o material a campos magnéticos de até 65 teslas - mais de 30 vezes a força de um ímã típico de ressonância magnética - a equipe tentou encontrar o limite superior no qual os campos magnéticos esmagam a supercondutividade do material. Butch e sua equipe também experimentaram orientar o cristal de ditelureto de urânio em vários ângulos diferentes em relação à direção do campo magnético.

Por volta de 16 teslas, o estado supercondutor do material mudou abruptamente. Embora tenha morrido na maioria dos experimentos, persistiu quando o cristal foi alinhado em um ângulo muito específico em relação ao campo magnético. Este comportamento incomum continuou até cerca de 35 teslas, ponto em que toda supercondutividade desapareceu e os elétrons mudaram seu alinhamento, entrando em uma nova fase magnética.

À medida que os pesquisadores aumentaram o campo magnético, continuando a fazer experiências com ângulos, eles descobriram que uma orientação diferente do cristal produziu ainda outra fase supercondutora que persistiu por pelo menos 65 teslas, a força de campo máxima que a equipe testou. Foi um desempenho recorde para um supercondutor e marcou a primeira vez que duas fases supercondutoras induzidas por campo foram encontradas no mesmo composto.

Em vez de matar a supercondutividade no ditelureto de urânio, altos campos magnéticos pareciam estabilizá-lo. Embora ainda não esteja claro exatamente o que está acontecendo no nível atômico, Butch disse que as evidências apontam para um fenômeno fundamentalmente diferente de tudo o que os cientistas viram até hoje.

"Eu vou arriscar e dizer que estes são provavelmente diferentes - mecanicamente quânticos diferentes - de outros supercondutores que conhecemos, "Butch disse." É suficientemente diferente, Eu penso, esperar vai demorar um pouco para descobrir o que está acontecendo. "

Além de sua física que desafia as convenções, ditelureto de urânio mostra todos os sinais de ser um supercondutor topológico, assim como outros supercondutores de spin-tripleto, Butch acrescentou. Suas propriedades topológicas sugerem que ele pode ser um componente particularmente preciso e robusto nos computadores quânticos do futuro.

"A descoberta da supercondutividade de Lazarus em campos recordes está entre as descobertas mais importantes a emergir deste laboratório em seus 25 anos de história, "disse o diretor da NHMFL Greg Boebinger." Eu não ficaria surpreso se desvendar os mistérios do ditelureto de urânio levasse a manifestações ainda mais estranhas de supercondutividade no futuro. "