Físicos do Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA realizaram com sucesso medições de um supercondutor à base de ferro em um regime importante, mas difícil de alcançar, onde flutuações quânticas críticas dominam a física. Usando uma nova técnica de detecção, eles mapearam com precisão a transição de fase quântica - um fenômeno que teoricamente está intimamente ligado à supercondutividade - bem no interior do estado supercondutor.

A configuração experimental inovadora, chamado de magnetoscópio de vacância de nitrogênio (NV), é altamente sensível, praticamente não invasivo, e mais precisos do que aqueles usados ​​anteriormente para explorar física semelhante em materiais supercondutores.

"Este é um resultado verdadeiramente fascinante na ciência dos supercondutores - obter uma imagem clara de como a transição de fase quântica coexiste com a supercondutividade. Parece que a fase supercondutora protege o comportamento crítico quântico dos efeitos da desordem. Isso é bastante notável!" disse Prozorov, um físico do Ames Laboratory. "À medida que continuamos a estudar outros materiais com esta nova capacidade, ajudará a responder questões teóricas importantes sobre a origem da supercondutividade não convencional. "

A equipe usou o escopo NV para medir com precisão a profundidade de penetração de Londres, que é a profundidade que um campo magnético penetra em um supercondutor de sua superfície. Esta profundidade está diretamente relacionada à massa efetiva do elétron, que é a quantidade afetada pelas flutuações quânticas e sinaliza a existência de transição de fase quântica. Medindo sistematicamente diferentes composições de um composto de pnictida de ferro, Ba (Fe, Co) ₂ Como ₂ , cultivado no Laboratório Ames pelo grupo de pesquisa de Paul Canfield, A equipe de Prozorov poderia mapear a presença da transição de fase quântica normalmente oculta sob a cúpula da supercondutividade, "à medida que a temperatura se aproxima do zero absoluto.

Prozorov lidera uma equipe de cientistas em seu laboratório de baixa temperatura no Laboratório Ames, examinando os comportamentos intrigantes dos supercondutores, e tentar desvendar como vários fenômenos quânticos afetam seu desempenho. Eles se especializam no desenvolvimento de técnicas experimentais sensíveis e de ultra-alta precisão exclusivas para medir a óptica, assinaturas magnéticas e elétricas desses comportamentos. O escopo NV foi construído do zero no Laboratório Ames pelo cientista Naufer Nusran e pelo estudante de graduação Kamal Joshi. É um magnetômetro óptico que aproveita o estado quântico de um tipo particular de defeito atômico, chamados centros de vacância de nitrogênio (NV), em diamante. Nusran também desenvolveu uma nova maneira de empregar os centros NV para medir o campo crítico inferior que leva à profundidade de penetração de Londres.

"A profundidade de penetração de Londres é um dos parâmetros mais fundamentais que descrevem supercondutores; basicamente, diz a você o quão robusta é a supercondutividade, "disse Prozorov." Tenho medido essa quantidade usando diferentes técnicas durante a maior parte da minha carreira de pesquisa e a detecção NV representa um avanço significativo na supercondutividade experimental. "

Sete anos atrás, O laboratório de Prozorov fez parte de uma colaboração de pesquisa internacional que encontrou a primeira evidência clara de que o ponto crítico quântico (QCP) sobreviveu profundamente no estado supercondutor. O trabalho atual, usando novas abordagens, examina sistemas supercondutores com uma quantidade substancial de desordem. Juntos, esses trabalhos provam que a transição de fase quântica e as flutuações críticas não apenas coexistem com a supercondutividade, mas pode até ser protegido por ele dos efeitos da desordem. Os resultados são outra pista importante para resolver o mistério da supercondutividade à base de ferro.

"Ainda, há muito mais a fazer, a fim de explorar totalmente a ciência de supercondutores não convencionais em geral. Por isso, métodos mais novos e sofisticados de detecção quântica terão que ser desenvolvidos ", disse Nusran. Novos métodos de detecção quântica que podem sondar flutuações quânticas em nanoescala permitiriam uma análise mais profunda das fases quânticas concorrentes e coexistentes em supercondutores de alta temperatura e muitos outros problemas de ciência de materiais. "Essas novas capacidades acabarão por lançar luz sobre as condições limitantes e a viabilidade de supercondutores e outros materiais quânticos para aplicações tecnológicas."

A pesquisa é discutida mais detalhadamente no artigo, "Transição de fase quântica dentro da cúpula supercondutora de Ba (Fe _1-x Co _x ) ₂ Como ₂ da magnetometria óptica baseada em diamante "de autoria de Kamal R. Joshi, Naufer Nusran, Makariy A. Tanatar, Kyuil Cho, Sergey L Bud'ko, Paul C Canfield, Rafael M Fernandes, Alex Levchenko e Ruslan Prozorov; e publicado no New Journal of Physics .