Pesquisadores medem uma assinatura de interferência supercondutora na escala atômica

Este esquema mostra a junção do túnel com a ponta funcionalizada por uma impureza magnética, que induz o estado YSR através de um acoplamento impureza-supercondutor. Tanto a ponta quanto a amostra são supercondutoras, de modo que suportam uma corrente Josephson. A junção do túnel entre a ponta e a amostra tem dois canais de transporte. Um canal de transporte inclui o estado YSR e o outro não inclui nenhum estado extra (BCS). A interferência entre esses canais de transporte altera a corrente de Josephson, que fornece informações sobre o estado fundamental da impureza YSR. Crédito:Karan et al.

Os supercondutores, materiais que podem conduzir eletricidade sem resistência a baixas temperaturas, possuem muitas propriedades interessantes e vantajosas. Nos últimos anos, físicos e cientistas da computação vêm investigando seu potencial para diferentes aplicações, incluindo a tecnologia de computação quântica.
Impurezas magnéticas acopladas a um supercondutor podem produzir os chamados estados Yu-Shiba-Rusinov (YSR) dentro da lacuna supercondutora. Quando o acoplamento dessas impurezas aos supercondutores aumenta, o estado YSR sofre uma transição de fase quântica, fazendo com que o estado fundamental do material mude. Embora muitos físicos tenham investigado os estados YSR e sua transição de fase quântica nos últimos anos, seu efeito no estado fundamental dos supercondutores ainda é pouco compreendido.

Pesquisadores do Instituto Max Planck de Pesquisa de Estado Sólido, da Universidade de Ulm, do Centro Aeroespacial Alemão (DLR), da Universidade de Uppsala e da Universidade Autônoma de Madri realizaram recentemente um estudo destinado a reunir novas informações sobre as mudanças no estado fundamental associadas aos estados YSR. Seu estudo, apresentado em Nature Physics , levou à observação detalhada de uma mudança na chamada corrente de Josephson como uma assinatura da transição de fase do estado YSR.

“Embora os estados YSR tenham sido extensivamente estudados nos últimos anos e haja indicações indiretas de que o estado YSR sofre uma transição de fase quântica, uma indicação direta de como as mudanças no estado fundamental estão faltando”, Christian Ast, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. "Basicamente, a transição de fase quântica pode ser observada, mas nunca ficou claro de que lado da transição de fase quântica estava. Se o acoplamento de troca é fraco, o spin da impureza é livre (o estado YSR está vazio no estado fundamental ) e se o acoplamento de troca for forte, o spin da impureza é rastreado ocupando o estado YSR no estado fundamental."

Quando acoplados a supercondutores, os spins em pontos quânticos criam o que é conhecido como junção p-Josephson, uma reversão na supercorrente do material que pode ser observada medindo a corrente de Josephson, também conhecida como supercorrente ou corrente de par de Cooper. Ast e seus colegas começaram a medir a corrente de Josephson através de um estado YSR e através da transição de fase quântica desse estado.

“A corrente de Josephson pode nos dizer de que lado da transição de fase quântica está o estado YSR”, explicou Ast.

Em primeiro lugar, os pesquisadores usaram um mK-STM, um microscópio de tunelamento de varredura que opera a uma temperatura base de 10mK, para medir localmente uma única impureza com um estado YSR em sua amostra. Seus experimentos foram realizados no Laboratório de Precisão do Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido, que hospeda o mK-STM.

"Para observar a reversão da supercorrente, tivemos que empregar um detalhe muito complicado", disse Ast. "A reversão da supercorrente é devido a uma mudança de fase na junção do túnel. Para ser preciso, a fase muda em p, ou seja, 180 graus, o que equivale a uma mudança de sinal, e é por isso que essas junções são chamadas de junções p e eu acho que essa mudança de sinal cunhou o termo 'reversão de supercorrente'".

Mudanças de fase, como as sondadas por Ast e seus colegas, são muito difíceis de detectar experimentalmente. Normalmente, a detecção dessas alterações requer uma segunda junção de túnel que pode ser usada como uma junção de referência. Até agora, a maioria dos pesquisadores detectou mudanças de fase usando o que é conhecido como dispositivo de interferência quântica supercondutora (SQUID).

SQUIDs são dispositivos muito sensíveis que podem detectar e medir campos magnéticos sutis, correntes, voltagens ou deslocamentos. Esses dispositivos são baseados no efeito Josephson e medem as mudanças nas correntes Josephson.

"Imitamos esse dispositivo explorando um segundo canal de transporte em nossa junção de túnel, que serve como uma junção de referência", disse Ast. “Como resultado, vemos interferência construtiva de um lado da transição de fase quântica e interferência destrutiva entre os dois canais do outro lado, que se manifesta em uma mudança na magnitude da corrente de Josephson”.

Durante o estudo, Ast e seus colegas apresentaram o que poderia ser descrito como o menor dispositivo SQUID desenvolvido até agora. Usando este dispositivo, eles detectaram a transição 0-p no estado YSR produzida por uma impureza magnética dentro de um semicondutor.

"A principal diferença entre um SQUID convencional e nosso dispositivo é que não temos um loop supercondutor através do qual podemos passar um campo magnético para sintonizar a fase", explicou Ast. Portanto, só podemos detectar uma mudança de sinal, o que é suficiente para o nosso propósito. Com nosso dispositivo, detectamos com sucesso a mudança de fase na transição 0-p do estado YSR na transição de fase quântica."

Essa mudança na corrente de Josephson medida por esta equipe de pesquisadores é uma assinatura clara de uma mudança no estado fundamental produzida pelo estado YSR durante sua transição de fase quântica. Ast e seus colegas foram capazes de detectar essa mudança explorando a interferência entre dois canais de tunelamento no efeito Josephson pela primeira vez, usando assim seu SQUID "miniatura" como sensor.

Em seus próximos estudos, os pesquisadores esperam reunir novos insights sobre as mudanças de fase em supercondutores usando o sensor introduzido em seu artigo e outros novos dispositivos. Em última análise, sua missão é revelar novos limites quânticos, reduzindo os sistemas ao mínimo, suprimindo suas interações e reduzindo-os ao nível atômico.

"A física desses sistemas pode ser modelada por teorias comparativamente simples, o que torna o resultado bonito", acrescentou Ast. "Este trabalho é um marco nessa busca por novos limites quânticos. Além desse objetivo geral, estamos procurando explorar essa sensibilidade de fase recém-descoberta nas pontas YSR funcionalizadas para detectar outros fenômenos exóticos." + Explorar mais