Cientistas em busca de um tipo não convencional de supercondutor produziram as evidências mais convincentes de que encontraram um. Em um par de papéis, pesquisadores da Universidade de Maryland (UMD) Quantum Materials Center (QMC) e colegas mostraram que o ditelureto de urânio (ou UTe ₂ para encurtar) exibe muitas das marcas de um supercondutor topológico - um material que pode desbloquear novas maneiras de construir computadores quânticos e outros dispositivos futurísticos.

"A natureza pode ser perversa, "diz Johnpierre Paglione, um professor de física na UMD, o diretor do QMC e autor sênior em um dos artigos. "Pode haver outras razões pelas quais estamos vendo todas essas coisas malucas, mas honestamente, na minha carreira, Nunca vi nada assim. "

Todos os supercondutores conduzem correntes elétricas sem qualquer resistência. É o tipo de coisa deles. A fiação atrás de suas paredes não pode rivalizar com esse feito, que é uma das muitas razões pelas quais grandes bobinas de fios supercondutores, e não fios de cobre normais, têm sido usados ​​em máquinas de ressonância magnética e outros equipamentos científicos por décadas.

Mas os supercondutores alcançam sua supercondutores de maneiras diferentes. Desde o início dos anos 2000, cientistas têm procurado um tipo especial de supercondutor, um que se baseia em uma coreografia intrincada das partículas subatômicas que realmente carregam sua corrente.

Essa coreografia tem um diretor surpreendente:um ramo da matemática chamado topologia. A topologia é uma maneira de agrupar formas que podem ser suavemente transformadas umas nas outras empurrando e puxando. Por exemplo, uma bola de massa pode ser moldada em um pão ou uma torta de pizza, mas você não pode fazer um donut sem fazer um buraco nele. O resultado é que, topologicamente falando, um pão e uma torta são idênticos, enquanto um donut é diferente. Em um supercondutor topológico, os elétrons dançam em torno uns dos outros enquanto circulam algo semelhante ao buraco no centro de um donut.

Infelizmente, não há uma boa maneira de abrir um supercondutor e ampliar esses movimentos de dança eletrônica. No momento, a melhor maneira de saber se os elétrons estão boogieing em um donut abstrato ou não é observar como um material se comporta em experimentos. Até agora, nenhum supercondutor foi conclusivamente mostrado como sendo topológico, mas os novos jornais mostram que UTe ₂ visual, nada e grasna como o tipo certo de pato topológico.

Um estudo, pela equipe de Paglione em colaboração com o grupo de Aharon Kapitulnik na Universidade de Stanford, revela que não um, mas dois tipos de supercondutividade existem simultaneamente no UTe ₂ . Usando este resultado, bem como a forma como a luz é alterada quando ricocheteia no material (além de evidências experimentais publicadas anteriormente), eles foram capazes de reduzir os tipos de supercondutividade que estão presentes em duas opções, ambos os quais os teóricos acreditam ser topológicos. Eles publicaram suas descobertas em 15 de julho, 2021, no jornal Ciência .

Em outro estudo, uma equipe liderada por Steven Anlage, professor de física na UMD e membro do QMC, revelou um comportamento incomum na superfície do mesmo material. Suas descobertas são consistentes com o fenômeno há muito procurado dos modos Majorana protegidos topologicamente. Modos Majorana, partículas exóticas que se comportam um pouco como a metade de um elétron, são previstos para surgir na superfície de supercondutores topológicos. Essas partículas entusiasmam particularmente os cientistas porque podem ser a base para computadores quânticos robustos. Anlage e sua equipe relataram seus resultados em um artigo publicado em 21 de maio, 2021 no jornal Nature Communications .

Supercondutores só revelam suas características especiais abaixo de uma determinada temperatura, muito parecido com a água que só congela abaixo de zero Celsius. Em supercondutores normais, elétrons se emparelham em uma linha de conga de duas pessoas, seguindo um ao outro através do metal. Mas em alguns casos raros, os pares de elétrons realizam uma dança circular em torno um do outro, mais parecido com uma valsa. O caso topológico é ainda mais especial - a dança circular dos elétrons contém um vórtice, como o olho em meio aos ventos rodopiantes de um furacão. Uma vez que os elétrons se emparelham desta forma, o vórtice é difícil de se livrar, que é o que torna um supercondutor topológico distinto de um supercondutor simples, dança de elétrons em tempo bom.

Em 2018, A equipe de Paglione, em colaboração com a equipe de Nicholas Butch, professor associado adjunto de física da UMD e físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), descobriu inesperadamente que UTe ₂ era um supercondutor. Agora mesmo, estava claro que não era um supercondutor comum. Mais notavelmente, parecia não ser afetado por grandes campos magnéticos, que normalmente destroem a supercondutividade ao dividir os pares de dança do elétron. Esta foi a primeira pista de que os pares de elétrons em UTe ₂ segurem um ao outro com mais força do que o normal, provavelmente porque a dança em pares é circular. Isso atraiu muito interesse e pesquisas adicionais de outras pessoas na área.

"É como um supercondutor de tempestade perfeito, "diz Anlage." É a combinação de muitas coisas diferentes que ninguém nunca viu combinadas antes. "

No novo Ciência papel, Paglione e seus colaboradores relataram duas novas medições que revelam a estrutura interna da UTe ₂ . A equipe UMD mediu o calor específico do material, que caracteriza quanta energia é necessária para aquecê-lo em um grau. Eles mediram o calor específico em diferentes temperaturas iniciais e o observaram mudar à medida que a amostra se tornava supercondutora.

"Normalmente, há um grande salto no calor específico na transição supercondutora, "diz Paglione." Mas vemos que na verdade há dois saltos. Então, isso é evidência de duas transições supercondutoras, não apenas um. E isso é muito incomum. "

Os dois saltos sugeriram que os elétrons em UTe ₂ pode emparelhar para executar qualquer um dos dois padrões de dança distintos.

Em uma segunda medição, a equipe de Stanford lançou luz laser sobre um pedaço de UTe ₂ e percebi que a luz refletida de volta estava um pouco distorcida. Se eles enviassem luz subindo e descendo, a luz refletida oscilou principalmente para cima e para baixo, mas também um pouco para a esquerda e para a direita. Isso significava que algo dentro do supercondutor estava torcendo a luz e não destorcendo ao sair.

A equipe de Kapitulnik em Stanford também descobriu que um campo magnético poderia coagir o UTe ₂ em torcer a luz de um jeito ou de outro. Se eles aplicassem um campo magnético apontando para cima enquanto a amostra se tornava supercondutora, a luz que sai seria inclinada para a esquerda. Se eles apontassem o campo magnético para baixo, a luz se inclinou para a direita. Isso disse aos pesquisadores que, para os elétrons dançando dentro da amostra, havia algo especial nas direções para cima e para baixo do cristal.

Para entender o que tudo isso significava para os elétrons dançando no supercondutor, os pesquisadores contaram com a ajuda de Daniel F. Agterberg, um teórico e professor de física da Universidade de Wisconsin-Milwaukee e um co-autor do Ciência papel. De acordo com a teoria, a forma como os átomos de urânio e telúrio estão dispostos dentro do UTe ₂ o cristal permite que pares de elétrons se unam em oito configurações de dança diferentes. Uma vez que a medição do calor específico mostra que duas danças estão acontecendo ao mesmo tempo, Agterberg enumerou todas as diferentes maneiras de emparelhar essas oito danças. A natureza distorcida da luz refletida e o poder coercitivo de um campo magnético ao longo do eixo de cima para baixo reduzem as possibilidades para quatro. Resultados anteriores mostrando a robustez do UTe ₂ a supercondutividade de sob grandes campos magnéticos restringiu ainda mais a apenas dois daqueles pares de dança, ambos formam um vórtice e indicam uma tempestade, dança topológica.

"O que é interessante é que, dadas as restrições do que vimos experimentalmente, nossa melhor teoria aponta para a certeza de que o estado supercondutor é topológico, "diz Paglione.

Se a natureza da supercondutividade em um material é topológica, a resistência ainda irá a zero na maior parte do material, mas na superfície algo único vai acontecer:partículas, conhecidos como modos Majorana, aparecerá e formará um fluido que não é um supercondutor. Essas partículas também permanecem na superfície, apesar dos defeitos do material ou de pequenas perturbações do meio ambiente. Os pesquisadores propuseram que, graças às propriedades únicas dessas partículas, eles podem ser uma boa base para computadores quânticos. Codificar um pedaço de informação quântica em várias Majoranas que estão distantes torna a informação virtualmente imune a distúrbios locais que, até aqui, têm sido a ruína dos computadores quânticos.

A equipe de Anlage queria sondar a superfície do UTe ₂ mais diretamente para ver se eles poderiam localizar assinaturas deste mar de Majorana. Fazer isso, eles enviaram microondas para um pedaço UTe ₂ , e mediu as microondas que saíram do outro lado. Eles compararam a saída com e sem a amostra, o que lhes permitiu testar propriedades do volume e da superfície simultaneamente.

A superfície deixa uma marca na força das microondas, levando a uma saída que sobe e desce em sincronia com a entrada, mas ligeiramente subjugado. Mas, uma vez que a massa é um supercondutor, não oferece resistência às microondas e não altera a sua força. Em vez de, isso os retarda, causando atrasos que fazem a saída saltar para cima e para baixo fora de sincronia com a entrada. Ao observar as partes fora de sincronia da resposta, os pesquisadores determinaram quantos elétrons dentro do material participam da dança dos pares em várias temperaturas. Eles descobriram que o comportamento estava de acordo com as danças circulares sugeridas pela equipe de Paglione.

Talvez mais importante, a parte sincronizada da resposta de microondas mostrou que a superfície do UTe ₂ não é supercondutor. Isso é incomum, já que a supercondutividade geralmente é contagiosa:colocar um metal comum perto de um supercondutor espalha a supercondutividade para o metal. Mas a superfície do UTe ₂ não pareceu capturar a supercondutividade do bulk - exatamente como esperado para um supercondutor topológico - e, em vez disso, respondeu às microondas de uma forma nunca vista antes.

"A superfície se comporta de maneira diferente de qualquer supercondutor que já vimos, "Anlage diz." E então a questão é 'Qual é a interpretação desse resultado anômalo?' E uma das interpretações, que seria consistente com todos os outros dados, é que temos esse estado de superfície topologicamente protegido que é como uma espécie de invólucro ao redor do supercondutor do qual você não consegue se livrar. "

Pode ser tentador concluir que a superfície do UTe ₂ é coberto com um mar de modos de Majorana e declara vitória. Contudo, reivindicações extraordinárias requerem evidências extraordinárias. Anlage e seu grupo tentaram encontrar todas as explicações alternativas possíveis para o que estavam observando e sistematicamente os descartaram, da oxidação na superfície à luz que atinge as bordas da amostra. Ainda, é possível que uma explicação alternativa surpreendente ainda esteja para ser descoberta.

"No fundo da sua cabeça você está sempre pensando 'Oh, talvez fossem raios cósmicos ', ou 'Talvez fosse outra coisa, '", diz Anlage." Você nunca pode eliminar 100% todas as outras possibilidades. "

Da parte de Paglione, ele diz que a prova fumegante será nada menos do que usar os modos Majorana de superfície para realizar uma computação quântica. Contudo, mesmo se a superfície do UTe ₂ realmente tem um monte de modos Majorana, atualmente não há uma maneira direta de isolá-los e manipulá-los. Fazer isso pode ser mais prático com uma película fina de UTe ₂ em vez dos cristais (mais fáceis de produzir) que foram usados ​​nesses experimentos recentes.

“Temos algumas propostas para tentar fazer filmes finos, "Paglione diz." Porque é urânio e é radioativo, requer alguns equipamentos novos. A próxima tarefa seria realmente tentar ver se podemos cultivar filmes. E então a próxima tarefa seria tentar fazer dispositivos. Isso exigiria vários anos, mas não é loucura. "

Seja UTe ₂ prova ser o tão esperado supercondutor topológico ou apenas um pombo que aprendeu a nadar e grasnar como um pato, Paglione e Anlage estão ansiosos para continuar descobrindo o que o material reserva.

"É muito claro que há muita física legal no material, "Anlage diz." Se é ou não Majoranas na superfície é certamente uma questão importante, mas está explorando física nova, que é a coisa mais emocionante. "