Uma descoberta que há muito tempo iludiu os físicos foi detectada em um laboratório em Princeton. Uma equipe de físicos detectou correntes supercondutoras - o fluxo de elétrons sem desperdiçar energia - ao longo da borda externa de um material supercondutor. A descoberta foi publicada na edição de 1º de maio da revista. Ciência .

O supercondutor que os pesquisadores estudaram também é um semimetal topológico, um material que vem com suas próprias propriedades eletrônicas incomuns. A descoberta sugere maneiras de desbloquear uma nova era de "supercondutividade topológica" que pode ter valor para a computação quântica.

"Para nosso conhecimento, esta é a primeira observação de uma supercorrente de borda em qualquer supercondutor, "disse Nai Phuan Ong, Eugene Higgins, professor de Física de Princeton, e autor sênior do estudo.

"Nossa pergunta motivadora era, O que acontece quando o interior do material não é um isolante, mas um supercondutor? ", Disse Ong." Que características novas surgem quando a supercondutividade ocorre em um material topológico? "

Embora os supercondutores convencionais já sejam amplamente utilizados em imagens de ressonância magnética (MRI) e linhas de transmissão de longa distância, novos tipos de supercondutividade poderiam desencadear a habilidade de ir além das limitações de nossas tecnologias familiares.

Pesquisadores em Princeton e em outros lugares têm explorado as conexões entre a supercondutividade e os isolantes topológicos - materiais cujos comportamentos eletrônicos não conformistas foram o tema do Prêmio Nobel de Física de 2016 para F. Duncan Haldane, Professor de Física da Universidade Sherman Fairchild de Princeton.

Isoladores topológicos são cristais que possuem um interior isolante e uma superfície condutora, como um brownie embrulhado em papel alumínio. Em materiais condutores, elétrons podem pular de átomo em átomo, permitindo que a corrente elétrica flua. Isoladores são materiais nos quais os elétrons ficam presos e não podem se mover. Ainda curiosamente, Os isoladores topológicos permitem o movimento dos elétrons em sua superfície, mas não em seu interior.

Para explorar a supercondutividade em materiais topológicos, os pesquisadores se voltaram para um material cristalino chamado ditelureto de molibdênio, que tem propriedades topológicas e também é um supercondutor, uma vez que a temperatura cai abaixo de frígidos 100 miliKelvin, que é -459 graus Fahrenheit.

"A maioria dos experimentos feitos até agora envolveram tentar 'injetar' supercondutividade em materiais topológicos, colocando um material em estreita proximidade com o outro, "disse Stephan Kim, um estudante de graduação em engenharia elétrica, que conduziu muitos dos experimentos. "O que é diferente em nossa medição é que não injetamos supercondutividade e ainda assim fomos capazes de mostrar as assinaturas dos estados de borda."

A equipe primeiro cultivou cristais em laboratório e depois os resfriou até uma temperatura em que ocorre a supercondutividade. Eles então aplicaram um campo magnético fraco enquanto mediam o fluxo de corrente através do cristal. Eles observaram que uma quantidade chamada corrente crítica exibe oscilações, que aparecem como um padrão de dente de serra, à medida que o campo magnético é aumentado.

Tanto a altura das oscilações quanto a frequência das oscilações se encaixam nas previsões de como essas flutuações surgem do comportamento quântico dos elétrons confinados às bordas dos materiais.

Os pesquisadores sabem há muito tempo que a supercondutividade surge quando os elétrons, que normalmente se movem aleatoriamente, ligam-se em dois para formar pares Cooper, que em certo sentido dançam no mesmo ritmo. "Uma analogia aproximada é um bilhão de casais executando a mesma coreografia de dança rigidamente roteirizada, "Ong disse.

O script que os elétrons estão seguindo é chamado de função de onda do supercondutor, que pode ser considerado aproximadamente como uma fita esticada ao longo do comprimento do fio supercondutor, Ong disse. Uma leve torção da função de onda obriga todos os pares de Cooper em um fio longo a se moverem com a mesma velocidade de um "superfluido" - em outras palavras, agindo como uma única coleção em vez de partículas individuais - que flui sem produzir aquecimento.

Se não houver torções ao longo da fita, Ong disse, todos os pares Cooper são estacionários e não há fluxos de corrente. Se os pesquisadores expõem o supercondutor a um campo magnético fraco, isso adiciona uma contribuição adicional à torção que os pesquisadores chamam de fluxo magnético, que, para partículas muito pequenas, como elétrons, segue as regras da mecânica quântica.

Os pesquisadores anteciparam que esses dois contribuintes para o número de reviravoltas, a velocidade do superfluido e o fluxo magnético, trabalham juntos para manter o número de torções como um inteiro exato, um número inteiro como 2, 3 ou 4 em vez de 3.2 ou 3.7. Eles previram que, à medida que o fluxo magnético aumenta suavemente, a velocidade do superfluido aumentaria em um padrão de dente de serra conforme a velocidade do superfluido se ajusta para cancelar o .2 extra ou adicionar .3 para obter um número exato de torções.

A equipe mediu a corrente de superfluido enquanto variavam o fluxo magnético e descobriram que de fato o padrão dente de serra era visível.

No ditelureto de molibdênio e outros chamados semimetais de Weyl, este emparelhamento de Cooper de elétrons na massa parece induzir um emparelhamento semelhante nas bordas.

Os pesquisadores notaram que a razão pela qual a supercorrente de borda permanece independente da supercorrente em massa atualmente não é bem compreendida. Ong comparou os elétrons se movendo coletivamente, também chamados de condensados, para poças de líquido.

"Das expectativas clássicas, seria de se esperar que duas poças de fluido que estão em contato direto se fundissem em uma, "Ong disse." No entanto, o experimento mostra que os condensados ​​da borda permanecem distintos daqueles na maior parte do cristal. "

A equipe de pesquisa especula que o mecanismo que impede os dois condensados ​​de se misturarem é a proteção topológica herdada dos estados de borda protegidos no ditelureto de molibdênio. O grupo espera aplicar a mesma técnica experimental para pesquisar supercorrentes de borda em outros supercondutores não convencionais.

"Provavelmente há muitos deles por aí, "Ong disse.

O estudo, "Evidência de uma supercorrente de borda no supercondutor de Weyl MoTe2, "por Wudi Wang, Stephan Kim, Minhao Liu, F. A. Cevallos, Robert. J. Cava e Nai Phuan Ong, foi publicado no jornal Ciência em 1 de maio, 2020.