Uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Universidade de Princeton descobriu um novo padrão de ordenação de carga elétrica em um novo material supercondutor.

Os pesquisadores descobriram o novo tipo de ordenação em um material contendo átomos dispostos em uma estrutura peculiar conhecida como rede kagome. Embora os pesquisadores já entendam como o spin do elétron pode produzir magnetismo, esses novos resultados fornecem insights sobre a compreensão fundamental de outro tipo de ordem quântica, nomeadamente, magnetismo orbital, que determina se a carga pode fluir espontaneamente em um loop e produzir magnetismo dominado pelo movimento orbital estendido de elétrons em uma rede de átomos. Essas correntes orbitais podem produzir efeitos quânticos incomuns, como efeitos Hall anômalos, e ser um precursor da supercondutividade não convencional em temperaturas relativamente altas. O estudo foi publicado na revista Materiais da Natureza .

"A descoberta de uma nova ordem de carga em um supercondutor kagome com estrutura de banda topológica que também é sintonizável por meio de um campo magnético é um grande passo à frente que poderia desbloquear novos horizontes no controle e aproveitamento da topologia quântica e supercondutividade para a física fundamental futura e pesquisa de dispositivo de geração, "disse M. Zahid Hasan, o professor de física Eugene Higgins da Universidade de Princeton, que liderou a equipe de pesquisa.

As raízes da descoberta estão no funcionamento de duas descobertas fundamentais na década de 1980. Um é o efeito Hall quântico - um efeito topológico que tem sido objeto de pesquisas de décadas. O efeito Hall foi o primeiro exemplo de como um ramo da matemática teórica, chamada topologia, poderia mudar fundamentalmente a forma de descrever e classificar a matéria que constitui o mundo. Conceitos teóricos importantes sobre o efeito Hall quantizado foram apresentados em 1988 por F. Duncan Haldane, o professor Thomas D. Jones de Física Matemática e o Professor de Física da Sherman Fairchild University, que em 2016 recebeu o Prêmio Nobel.

O segundo precedente foi a descoberta do supercondutor de alta temperatura não convencional, tema do Prêmio Nobel em 1987. O estado incomum desses supercondutores confundiu os cientistas. Conceitos teóricos importantes sobre correntes de loop como um precursor da supercondutividade não convencional foram apresentados no final da década de 1990 por vários teóricos. Em ambos os casos, a proposta principal é que a carga pode fluir em uma rede especial para produzir efeitos como magnetismo orbital. Contudo, a realização experimental direta de um tipo altamente especulativo de ordem de carga quântica eletrônica é extremamente desafiadora.

"A realização da ordem de carga do tipo de corrente orbital exigiria que os materiais tivessem fortes interações e geometrias de rede especiais que foram realizadas apenas nos últimos anos, "disse Hasan.

Ao longo de vários anos de intensa pesquisa em vários sistemas de rede geométrica ( Natureza 562, 91 (2018); Nature Phys 15, 443 (2019), Phys. Rev. Lett . 123, 196604 (2019), Nature Commun . 11, 559 (2020), Phys. Rev. Lett . 125, 046401 (2020), Natureza 583, 533 (2020), Nature Reviews Physics 3, 249 (2021), a equipe gradualmente percebeu que os supercondutores kagome podem hospedar essa ordem de carga do tipo topológico. Dezenas de supercondutores com redes kagome foram descobertos nos últimos 40 anos, mas nenhum mostrou o padrão desejado. Um supercondutor kagome notável é AV3Sb5 (A =K, Rb, Cs), cujos primeiros experimentos mostraram conter dicas de uma ordem oculta em torno de 80 graus Kelvin, tornando-o uma plataforma plausível para procurar a ordem de carga do tipo topológico.

"A supercondutividade muitas vezes sugere instabilidades para a carga do sistema, e a rede kagome é conhecida por ser um sistema de rede frustrado, "Hasan disse." Os supercondutores kagome podem formar várias ordens de carga exóticas, incluindo a ordem de carga do tipo topológico relacionada à sua estrutura de banda global. Isso nos levou a nossa busca nesta família, embora não estivesse claro se essa supercondutividade não era convencional quando começamos a trabalhar neste material. "

A equipe de pesquisadores de Princeton usou uma técnica avançada conhecida como microscopia de tunelamento de varredura de resolução subatômica. que é capaz de sondar as funções de onda eletrônica e de spin do material na escala subatômica com resolução de energia submilivolt em temperaturas abaixo de Kelvin. Sob essas condições ajustadas, os pesquisadores descobriram um novo tipo de ordem de carga que exibe quiralidade, isto é, orientação em uma direção específica - em AV3Sb5.

"A primeira surpresa foi que os átomos do material se reorganizaram em uma estrutura de rede de ordem superior (superrede) que não era esperada em nossos dados, "disse Yuxiao Jiang, um estudante de graduação em Princeton e um dos primeiros co-autores do artigo. "Tal superrede nunca foi vista em nenhum outro sistema kagome conhecido por nós."

A superrede foi a primeira dica para os pesquisadores de que poderia haver algo não convencional neste material. Os pesquisadores aumentaram ainda mais a temperatura do material para descobrir que a superrede desapareceu acima da temperatura crítica da fase oculta estimada pelo comportamento de transporte elétrico da maior parte do material.

"Essa consistência nos dá a confiança de que o que observamos é mais provável que seja um fenômeno de pedido em massa, em vez de um efeito de superfície, "disse Jia-Xin Yin, um pesquisador associado e outro co-primeiro autor do estudo.

Hasan adicionou, "Para um pedido de cobrança em massa, precisamos examinar mais a fundo se há uma lacuna de energia e se a distribuição de carga no espaço real mostra qualquer reversão na lacuna de energia. "

Os pesquisadores logo verificaram ambos os pontos para confirmar novamente que a ordem de carga inesperada mostra uma reversão de carga impressionante através da lacuna de energia, que também desaparece na mesma temperatura crítica. A evidência experimental acumulada estabeleceu que os pesquisadores observaram uma ordem de carga em um material kagome, que nunca foi relatado em qualquer outro sistema kagome.

"Agora estamos em posição de fazer a pergunta maior:se pode ser uma ordem de carga topológica?" disse Hasan.

Yin acrescentou, "Felizmente, através de nossa pesquisa sistemática de sistemas de rede geométrica nos últimos anos, desenvolvemos uma metodologia de microscopia de tunelamento de varredura baseada em campo magnético vetorial para explorar qualquer característica topológica potencial do material. "

Fundamentalmente, o campo magnético aplicado em um sistema eletrônico leva a uma topologia não trivial:o quantum de fluxo magnético (h / e) e a condutância Hall quântica (Ne2 / h, relacionado ao Chern número N, um invariante topológico) são governados pelo mesmo conjunto de constantes fundamentais, incluindo a constante h de Planck e a carga elementar e; a natureza vetorial do campo pode interagir diferencialmente com a quiralidade da matéria topológica para fornecer acesso aos efeitos relacionados ao invariante topológico.

Os pesquisadores realizaram experimentos na ordem de carga em campo magnético zero, um campo magnético positivo, e um campo magnético negativo. "Antes de os dados serem coletados, nós realmente não sabíamos o que iria acontecer, "Hasan disse.

Uma vez que os experimentos foram concluídos, Jiang disse, a resposta à questão da ordem de carga semelhante à topologia era "sim".

"Descobrimos que a ordem de cobrança realmente exibe uma quiralidade detectável, que pode ser comutado pelo campo magnético, "Jiang disse.

Os pesquisadores estão entusiasmados com sua descoberta inicial. "Antes que a reivindicação pudesse ser feita, ainda precisávamos reproduzir esse resultado várias vezes, para descartar efeitos da sonda de varredura, que pode ser de natureza extrínseca, "disse Yin.

Os pesquisadores ainda passaram vários meses para descobrir que esta ordem de carga quiral comutável por campo magnético é onipresente em KV3Sb5, RbV3Sb5 e CsV3Sb5. “Agora estamos convencidos de que é uma propriedade intrínseca desta classe de material, "Hasan adicionou, "E isso é muito emocionante!"

O campo magnético quebra explicitamente a simetria da reversão do tempo. Portanto, sua observação mostra que a ordem de carga quiral na rede kagome quebra a simetria da reversão do tempo. Isso é um tanto análogo ao modelo Haldane na rede do favo de mel ou ao modelo Chandra Varma na rede CuO2.

Os pesquisadores identificaram ainda a consequência topológica direta dessa ordem de carga quiral. Com a ajuda dos cálculos do primeiro princípio da estrutura da banda, a equipe descobriu que esta ordem de carga quiral produzirá um grande efeito Hall anômalo com magnetismo orbital, o que é consistente com o resultado de transporte existente que foi interpretado de forma diferente em um trabalho anterior.

Agora, o foco teórico e experimental do grupo está mudando para as dezenas de compostos com propriedades de banda plana da rede kagome e também supercondutividade. "É como descobrir água em um exoplaneta - abre uma nova fronteira de pesquisa topológica de matéria quântica para a qual nosso laboratório em Princeton foi otimizado, "Hasan disse.