Uma equipe de pesquisadores observou um fenômeno raro chamado supercondutividade reentrante no ditelureto de urânio material. Apelidado de "supercondutividade de Lázaro, "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. A descoberta apóia o caso do ditelureto de urânio como um material promissor para uso em computadores quânticos. Crédito:Emily Edwards / JQI
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. "