Uma equipe internacional de cientistas do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), o Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, e colegas dos EUA e da Suíça combinaram com sucesso várias condições experimentais extremas de uma forma completamente única, revelando percepções emocionantes sobre as misteriosas propriedades condutoras do metal cristalino CeRhIn ₅ . No jornal Nature Communications , eles relatam sua exploração de regiões anteriormente desconhecidas do diagrama de fase deste metal, que é considerado um sistema modelo promissor para a compreensão de supercondutores não convencionais.

"Primeiro, aplicamos uma fina camada de ouro a um único cristal microscopicamente pequeno. Em seguida, usamos um feixe de íons para esculpir microestruturas minúsculas. No final dessas estruturas, anexamos fitas de platina ultrafinas para medir a resistência ao longo de diferentes direções sob pressões extremamente altas, que geramos com uma célula de pressão de bigorna de diamante. Além disso, aplicamos campos magnéticos muito poderosos à amostra em temperaturas próximas do zero absoluto. "

Para a pessoa média, isso pode soar como fantasia caprichosa de um físico excessivamente zeloso, mas de fato, é uma descrição real do trabalho experimental conduzido pelo Dr. Toni Helm do High Magnetic Field Laboratory (HLD) do HZDR e seus colegas de Tallahassee, Los Alamos, Lausanne e Dresden. Nós vamos, pelo menos em parte, porque essa descrição apenas indica os muitos desafios envolvidos na combinação de tais extremos simultaneamente. Este grande esforço é, claro, não um fim em si mesmo:os pesquisadores estão tentando chegar ao fundo de algumas questões fundamentais da física do estado sólido.

A amostra estudada é cer-ródio-índio-cinco (CeRhIn ₅ ), um metal com propriedades surpreendentes que ainda não são totalmente compreendidas. Os cientistas o descrevem como um condutor elétrico não convencional com portadores de carga extremamente pesados, no qual, sob certas condições, a corrente elétrica pode fluir sem perdas. Supõe-se que a chave para essa supercondutividade reside nas propriedades magnéticas do metal. As questões centrais investigadas pelos físicos que trabalham com esses sistemas de elétrons correlacionados incluem:Como os elétrons pesados ​​se organizam coletivamente? Como isso pode causar magnetismo e supercondutividade? E qual é a relação entre esses fenômenos físicos?

Uma expedição através do diagrama de fases

Os físicos estão particularmente interessados ​​no diagrama de fase do metal, uma espécie de mapa cujas coordenadas são de pressão, Força do campo magnético, e temperatura. Se o mapa deve ser significativo, os cientistas têm que descobrir tantos locais quanto possível neste sistema de coordenadas, assim como um cartógrafo explorando um território desconhecido. Na verdade, o diagrama emergente não é diferente do terreno de uma paisagem.

À medida que reduzem a temperatura para quase quatro graus acima do zero absoluto, os físicos observam a ordem magnética na amostra de metal. Neste ponto, eles têm uma série de opções:eles podem resfriar a amostra ainda mais e expô-la a altas pressões, forçando uma transição para o estado supercondutor. Se, por outro lado, eles apenas aumentam o campo magnético externo para 600, 000 vezes a força do campo magnético terrestre, a ordem magnética também é suprimida; Contudo, o material entra em um estado denominado 'nemático eletronicamente'.

Este termo é emprestado da física dos cristais líquidos, onde descreve uma certa orientação espacial de moléculas com uma ordem de longo alcance em áreas maiores. Os cientistas presumem que o estado nemático eletronicamente está intimamente ligado ao fenômeno da supercondutividade não convencional. O ambiente experimental em HLD oferece condições ideais para um projeto de medição tão complexo. Os grandes ímãs geram pulsos relativamente duradouros e oferecem espaço suficiente para métodos de medição complexos sob condições extremas.

Experimentos no limite permitem um vislumbre do futuro

Os experimentos têm algumas características especiais adicionais. Por exemplo, trabalhar com campos magnéticos de alta pulsação cria correntes parasitas nas partes metálicas da configuração experimental, que pode gerar calor indesejado. Os cientistas, portanto, fabricaram os componentes centrais de um material plástico especial que suprime esse efeito e funciona de forma confiável perto do zero absoluto. Através da microfabricação por feixes de íons focalizados, eles produzem uma geometria de amostra que garante um sinal de medição de alta qualidade.

"A microestruturação se tornará muito mais importante em experimentos futuros. É por isso que trouxemos essa tecnologia para o laboratório imediatamente, "diz Helm, acrescentando:"Portanto, agora temos maneiras de acessar e gradualmente penetrar em dimensões onde os efeitos da mecânica quântica desempenham um papel importante." Ele também tem certeza de que o know-how que ele e sua equipe adquiriram contribuirá para a pesquisa em supercondutores de alta temperatura ou novas tecnologias quânticas.