A dependência da temperatura do quadrado inverso da profundidade de penetração magnética, que é proporcional à densidade do superfluido, medido usando o método do oscilador de diodo de túnel. As linhas mostram ajustes aos dados usando vários modelos, onde pode ser visto que o modelo de onda S com uma lacuna totalmente aberta não concorda com os dados, mas o modelo nodal 's + p' pode bem descrever os resultados. Crédito:Shang et al.
Na grande maioria dos materiais supercondutores, Os pares Cooper têm o que é conhecido como paridade par, o que essencialmente significa que sua função de onda não muda quando os elétrons trocam as coordenadas espaciais. Por outro lado, alguns supercondutores não convencionais foram encontrados para conter pares Cooper de paridade ímpar. Essa qualidade torna esses materiais não convencionais particularmente promissores para aplicações de computação quântica.
Estudos anteriores previram que supercondutores não centrossimétricos, que têm uma estrutura cristalina sem centro de inversão, pode exibir propriedades únicas e incomuns. Nos últimos anos, supercondutores não centrossimétricos se tornaram um tópico popular de pesquisa devido à estrutura dos pares de Cooper contidos neles, que têm uma mistura de paridade ímpar e par.
CaPtAs é um novo supercondutor não centrossimétrico descoberto por pesquisadores da Universidade de Zhejiang. Junto com cientistas do Paul Scherrer Institut e outros institutos em todo o mundo, esses pesquisadores realizaram recentemente um estudo investigando a supercondutividade não convencional neste composto. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , oferece evidências de que em seu estado supercondutor, CaPtAs exibe simultaneamente supercondutividade nodal e simetria de reversão de tempo quebrada (TRS).
"A estrutura cristalina dos CaPtAs era conhecida por ser não centrossimétrica, e portanto, pensamos que seria interessante determinar se também é um supercondutor, "Huiqiu Yuan, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Em um artigo publicado no início deste ano, relatamos que CaPtAs é de fato um supercondutor não centrosimétrico, que se torna supercondutor abaixo de 1,5 K. Também vimos indícios de propriedades supercondutoras incomuns, ou seja, uma lacuna supercondutora nodal. "
As observações coletadas em seu trabalho anterior inspiraram Yuan e seus colegas a coletar medições avançadas que lhes permitiriam examinar as propriedades supercondutoras não convencionais dos CaPtAs com mais profundidade. O objetivo principal de seu estudo recente foi determinar se quando CaPtAs está em seu estado supercondutor, a simetria de reversão do tempo é quebrada.
Os pesquisadores também mediram a profundidade de penetração magnética do supercondutor não centrossimétrico em temperaturas muito baixas, para entender melhor a estrutura de sua lacuna supercondutora. Mais especificamente, eles queriam determinar se a lacuna supercondutora do material apresentava os chamados 'nós, "pontos nos quais a amplitude da lacuna é igual a zero.
"Em nosso estudo, a evidência de quebra de simetria de reversão de tempo veio do uso da técnica de relaxamento / rotação de rotação do múon (μSR), enquanto a evidência de supercondutividade nodal veio de ambos μSR, o método do oscilador de diodo de túnel (TDO), bem como o calor específico, "Yuan disse.
O relaxamento / rotação do spin do múon (μSR) é um método poderoso para medir com precisão os campos magnéticos dentro de um material, que usa anti-múons carregados positivamente como uma sonda. Uma assinatura de quebra de simetria de reversão de tempo em um supercondutor é que campos magnéticos muito pequenos aparecem espontaneamente quando o supercondutor é resfriado até sua temperatura crítica. μSR é uma das poucas técnicas existentes sensíveis o suficiente para detectar esses pequenos campos magnéticos dentro dos materiais.
"Nós implantamos os múons polarizados por spin no supercondutor, "Tian Shang, do Paul Scherrer Institut, explicou." Os múons positivos são gerados em instalações de medição especializadas colidindo um feixe de prótons com um alvo de carbono. Nossos experimentos de μSR foram realizados no Instituto Paul Scherrer, na Suíça. "
Muons são partículas elementares altamente instáveis que decaem rapidamente, exibindo meia-vida de 2,2 µs, em um pósitron e dois neutrinos. O spin de um múon é normalmente afetado por campos magnéticos dentro de um material. Portanto, implantar múons dentro de um material permite que os pesquisadores reconstruam a natureza desses campos magnéticos, simplesmente medindo a distribuição de pósitrons emitidos ao longo do tempo.
"Em particular, normalmente se conta o número de pósitrons nas extremidades opostas da amostra, e como a diferença entre esses números, a 'assimetria, "mudanças ao longo do tempo podem ser usadas para detectar os minúsculos campos magnéticos extras quando a simetria de reversão do tempo é quebrada, "Shang disse.
O termo físico 'supercondutividade nodal' refere-se à natureza da lacuna de energia dentro de um supercondutor, que é a energia limite necessária para separar um par de Cooper. Em supercondutores nodais, esta lacuna de energia é zero para pares Cooper que se movem em certas direções. Isso significa que a energia térmica pode separar os pares Cooper, mesmo em temperaturas muito baixas.
A assimetria em função do tempo a partir de medidas de relaxamento do spin do múon de CaPtAs em campo zero (ZF) e um pequeno campo aplicado ao longo da direção de spin inicial do múon (LF). A assimetria ZF diminui mais rapidamente com o tempo abaixo da transição supercondutora em 0,02 K do que em 2,5 K, que mostra que existem campos magnéticos extras emergindo no estado supercondutor, que é uma assinatura de simetria de reversão de tempo quebrada. Crédito:Shang et al.
A supercondutividade nodal pode, portanto, ser detectada contando a quantidade de pares de Cooper dentro de um material. Se o número de pares Cooper dentro de um supercondutor continuar a aumentar conforme a temperatura é reduzida muito abaixo da temperatura crítica supercondutora, pode-se esperar que o material exiba supercondutividade nodal.
"Medimos a profundidade de penetração magnética de CaPtAs em função da temperatura até temperaturas muito baixas (menos de 0,1 K) usando dois métodos, a partir do qual é possível determinar como o número de pares de Cooper muda com a temperatura, "Michael Smidman, da Universidade de Zhejiang, disse." Um método de fazer isso é o μSR, onde um campo magnético é aplicado ao material. Uma vez que CaPtAs é um supercondutor tipo II, o campo vai penetrar no material por meio de linhas de fluxo magnético para formar uma rede de vórtice e a distribuição dessas linhas de fluxo pode ser detectada usando μSR. A distribuição depende da profundidade de penetração magnética, portanto, a quantidade de pares Cooper é fácil de determinar. "
Yuan e seus colegas também usaram outra ferramenta de medição conhecida como oscilador de diodo de túnel (TDO). Os TDOs são instrumentos muito sensíveis para medir a dependência da temperatura da profundidade de penetração magnética.
Essencialmente, os pesquisadores colocaram CaPtAs em uma bobina, que faz parte de um circuito LC. A corrente nesta bobina gera um campo magnético muito pequeno que não pode penetrar profundamente no supercondutor devido ao chamado efeito Meissner, no entanto, ainda pode alcançar uma certa distância abaixo de sua superfície.
"Esta distância é caracterizada por uma quantidade conhecida como profundidade de penetração magnética, "Yuan explicou." Se a profundidade de penetração do supercondutor muda com a temperatura, então a indutância da bobina também muda, e isso pode ser detectado medindo a mudança da frequência ressonante do circuito LC. "
Ao aplicar essas técnicas aos CaPtAs supercondutores, os pesquisadores reuniram evidências de sua supercondutividade nodal. Mais especificamente, quando eles calcularam o número de pares de Cooper no material, eles descobriram que seus resultados poderiam ser explicados por modelos em que a lacuna no supercondutor é nodal.
"Isso ficou particularmente evidente pelo fato de que, à medida que a temperatura diminuía, a densidade do superfluido continuou a aumentar, "Disse Smidman." Se CaPtAs fosse um supercondutor totalmente vazio, a densidade do superfluido saturaria em baixas temperaturas. "
Enquanto muitos pesquisadores previram anteriormente a presença de características supercondutoras incomuns em supercondutores não centrossimétricos, isso nem sempre foi confirmado experimentalmente. Estudos anteriores identificaram um punhado de supercondutores magnéticos não centrossimétricos com uma supercondutividade que difere claramente dos mecanismos convencionais de elétron-fônon descritos pela teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), que se manifestou em fenômenos físicos incomuns. Contudo, muitos supercondutores não centrossimétricos sem íons magnéticos exibiram propriedades semelhantes às suas contrapartes centrossimétricas convencionais.
"Em alguns casos, simetria de reversão de tempo quebrada é encontrada em supercondutores não centrossimétricos, no entanto, suas outras propriedades ainda são muito semelhantes aos supercondutores convencionais, "Yuan disse." Em particular, eles geralmente têm lacunas supercondutoras totalmente abertas. Nossos resultados fornecem evidências de supercondutividade nodal e quebra de simetria de reversão de tempo em CaPtAs, e, assim, nos permite traçar uma ligação entre o que geralmente eram tipos distintamente diferentes de supercondutores não centrossimétricos. "
Yuan e seus colegas descobriram que a supercondutividade nodal em CaPtAs se assemelha à observada em supercondutores magnéticos não centrossimétricos. Isso significa que CaPtAs pode ser um candidato principal para investigar o emparelhamento misto de singleto-tripleto que se esperaria encontrar nesses sistemas.
O estudo também oferece uma visão valiosa sobre os possíveis mecanismos por trás da quebra de TRS em uma ampla gama de supercondutores. No futuro, outras equipes de pesquisa poderiam se inspirar em seu trabalho e usar CaPtAs para investigar mecanismos de supercondutividade topológica e TRS.
"Embora tenhamos evidências de um estado supercondutor incomum em CaPtAs com supercondutividade nodal e simetria de reversão de tempo quebrada, a estrutura detalhada da lacuna supercondutora e os mecanismos subjacentes que dão origem a esses comportamentos ainda precisam ser determinados, "Yuan acrescentou." Em nossos próximos estudos, estamos interessados em identificar uma forma específica de emparelhamento supercondutor que pode explicar esses dois resultados, e então entender em um nível microscópico o que há nos CaPtAs que trazem essa nova supercondutividade. Gostaríamos também de determinar se a supercondutividade topológica pode ser realizada em CaPtAs. "
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