A amplitude da contribuição de metal estranho no efeito Hall em função da composição xe temperatura T, estimado a partir da dependência de campo de R_H. A linha pontilhada branca é um guia para os olhos, enfatizando o limite da região onde o metal estranho R_H é independente de x. Acima da linha, o estranho metal Hall depende apenas da temperatura e independente da composição x, abaixo da linha, essas contribuições persistem até a temperatura zero, sugerindo uma conexão direta com o estado fundamental supercondutor. Crédito:Nature Physics (2020). Hayes et al.
Nas ultimas decadas, pesquisadores identificaram uma série de materiais supercondutores com propriedades atípicas, conhecidos como supercondutores não convencionais. Muitos desses supercondutores compartilham as mesmas propriedades de transporte de carga anômala e, portanto, são caracterizados coletivamente como "metais estranhos".
Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley (UC Berkeley) e o Laboratório Nacional de Los Alamos têm investigado as propriedades de transporte anômalas de metais estranhos, junto com várias outras equipes em todo o mundo. Em um artigo recente publicado em Física da Natureza , eles mostraram que em um desses materiais, BaFe 2 (Como 1− x P x ) 2 , a supercondutividade e a criticidade quântica estão ligadas pelo que é conhecido como efeito Hall.
Por décadas, os físicos não foram capazes de compreender totalmente a resistividade linear T, uma assinatura de metais estranhos que muitas vezes foi observada em muitos supercondutores não convencionais. Em 2016, a equipe da UC Berkeley e do Los Alamos National Lab observou uma relação de escala incomum entre o campo magnético e a temperatura no supercondutor BaFe 2 (Como 1− x P x ) 2 .
Os fenômenos de escalonamento são tipicamente observados logo antes de um sistema fazer a transição de uma fase para outra (por exemplo, de líquido para gás), momentos chamados de pontos críticos. Isso inspirou os pesquisadores a investigar se um fenômeno semelhante também ocorreu no efeito Hall, um fenômeno de transporte de carga relacionado.
"O comportamento de dimensionamento surge porque perto de um ponto crítico, algumas propriedades tornam-se invariantes de escala, "James G. Analytis, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Isso ocorre porque há flutuações de fase no ponto crítico que ocorrem em todas as escalas de comprimento e tempo. O mesmo fenômeno básico leva à opalescência crítica em uma transição líquido-gás, mas no caso presente, as flutuações têm sua origem no princípio da incerteza de Heisenberg. Em nosso estudo recente, não observamos o comportamento de escalonamento tão claramente como fazíamos antes, mas encontramos algo que não esperávamos. "
Para conduzir seus experimentos, Analytis e seus colegas sintetizaram BaFe 2 (Como 1− x P x ) 2 cristais no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) e, em seguida, os colocou sob altos campos magnéticos nas instalações de alto campo do Laboratório Nacional de Los Alamos, que é administrado pelo National High Magnetic Field Lab (NHMFL), financiado pela NSF. Nesta instalação de campo, os pesquisadores podem coletar medições para uma quantidade significativa de tempo magnético.
"É altamente competitivo conseguir esse tempo ímã, que permite medir até 65 T, "Analytis explicou." Cada material precisa ser medido separadamente, com várias amostras para garantir a reprodutibilidade. Em tudo, provavelmente gastamos cerca de quatro semanas de tempo magnético para reunir nossos dados. "
Os experimentos realizados por Analytis e seus colegas produziram uma série de resultados interessantes. Primeiro, os pesquisadores descobriram que o efeito Hall parece ser composto de dois 'termos' diferentes:um convencional que está simplesmente relacionado ao número de elétrons no sistema, e um termo de metal estranho que atinge o pico quando BaFe 2 (Como 1− x P x ) 2 está se aproximando de seu ponto crítico quântico.
"Separar o efeito Hall em duas contribuições é bastante natural em metais ferromagnéticos porque o sistema tem duas contribuições claras; os portadores no metal e os spins magneticamente ordenados, "Analytis explicou." A segunda contribuição é chamada de efeito Hall anômalo. O que vemos parece ser análogo a um efeito Hall anômalo, mas enfatizo que não existe ferromagnetismo. Aqui, a contribuição anômala parece surgir de flutuações magnéticas perto do ponto crítico. "
Dois fatos importantes ilustram a ligação entre a criticidade quântica e a supercondutividade revelada por Analytis e seus colegas:O primeiro é aquele em metais estranhos, a supercondutividade ocorre em um diagrama de fase completo; a segunda é que o efeito Hall é essencialmente uma medida do número de partículas (ou seja, elétrons ou lacunas) em um sistema.
Os pesquisadores observaram que o efeito anômalo observado no BaFe 2 (Como 1− x P x ) 2 à medida que se aproxima de seu ponto crítico quântico, apenas cessa quando a supercondutividade termina. Além disso, eles descobriram que a magnitude da temperatura zero do termo anômalo do efeito Hall estava correlacionada à magnitude do Tc supercondutor. Isso sugere que a contribuição do metal estranho para o efeito Hall é, na verdade, uma medida das entidades emergentes responsáveis pela supercondutividade.
"Houve uma segunda observação ligada à invariância da escala observada antes, "Disse Analytis." Em uma região do diagrama de fase conhecida como 'leque crítico' (a região considerada dominada por flutuações), a contribuição de metal estranho depende apenas da temperatura, como se a temperatura definisse a escala das flutuações no sistema. Mais importante, a contribuição do metal estranho era independente da composição X, mesmo que a contribuição convencional mudasse por um fator de três ou mais; o que significa que o estranho efeito Hall de metal não é simplesmente uma fonte adicional de carga, mas que surge do movimento coletivo de todos os elétrons à medida que se aproximam de uma transição de fase crítica quântica. "
Ao estudar alto Tc, os pesquisadores normalmente tentam entender as excitações emergentes que são responsáveis pela supercondutividade em um material. Em supercondutores convencionais, essas excitações são agora conhecidas por serem caracterizadas como elétrons ou lacunas simples.
O estudo recente de Analytis e seus colegas poderia finalmente iluminar a natureza das excitações responsáveis pela supercondutividade em metais estranhos, que até agora permaneceu indescritível. Além disso, os pesquisadores identificaram uma estratégia que pode ser usada para medir se essas excitações estão presentes em um material ou não.
"Seria muito emocionante ver se as propriedades que revelamos se estendem a outros supercondutores, "Analytis disse." Agora, gostaríamos de estender essas medidas a diferentes partes do diagrama de fase e a diferentes compostos. Todos esses são experimentos longos e complicados que requerem uma síntese extensa e tempo em laboratórios de alto campo (como o NHMFL), mas pelo menos sabemos exatamente o que estamos procurando, agora."
Em seus próximos estudos, os pesquisadores também gostariam de começar a procurar estratégias e ferramentas que pudessem ser usadas para sondar os graus de liberdade de spin em supercondutores não convencionais diretamente. Na verdade, a maioria dos métodos existentes tende a examinar os graus de liberdade de carga de um material, o que limita consideravelmente sua generalização em diferentes materiais.
"O efeito Hall sempre vai misturar tudo isso, e tivemos sorte que, nesses materiais, eles se separam em contribuições "convencionais" e "metais estranhos", "Disse Analytis." Mas, para ver as universalidades nas diferentes classes de materiais, será importante desenvolver novas sondas com sensibilidade mais direta à parte de 'metal estranho' do sistema. "
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