Estudo mostra como a supercondutividade pode ser ligada e desligada em supercondutores

Um nanofio supercondutor (azul) com três eletrodos de porta (vermelho) colocados em um substrato de silício (cinza). A aplicação de uma tensão de porta ao eletrodo Vg1 resulta em uma transição do nanofio do estado supercondutor para o resistivo. A aplicação de uma diferença de tensão entre os dois eletrodos remotos Vg2 e Vg3 resulta em um efeito semelhante, mas mediado pelo substrato de silício. No canto superior direito:a corrente crítica (grande significa supercondutor, zero significa resistivo) do nanofio em função de Vg1. Em Vg1=0 o nanofio é supercondutor, em Vg1<-5V e Vg1>5V o nanofio é resistivo. No canto inferior direito:a corrente que flui da porta Vg1 para o nanofio em escala logarítmica. A região plana em torno de Vg1=0 é o piso de ruído de nossa medição. Crédito:IBM, Ritter et al (2022)

Supercondutores são materiais que podem entrar em um estado sem resistência elétrica, através do qual os campos magnéticos não podem penetrar. Devido às suas propriedades interessantes, muitos cientistas e engenheiros de materiais vêm explorando o potencial desses materiais para uma ampla gama de aplicações eletrônicas.
Uma das principais vantagens dos supercondutores é que eles podem transportar sinais elétricos enquanto evitam sua dissipação, o que é particularmente útil no desenvolvimento de computadores quânticos. Controlar seus estados, como é comumente feito com a tecnologia de semicondutores, no entanto, até agora provou ser um desafio.

Alguns anos atrás, um estudo sugeriu que a supercondutividade de materiais supercondutores poderia ser ligada e desligada. Pesquisadores da IBM Research em Zurique têm investigado esses resultados ainda mais, na esperança de explicar o mecanismo de comutação revelado por este estudo anterior. Suas descobertas foram recentemente descritas em um artigo publicado na Nature Electronics .

“Os supercondutores são, antes de tudo, metais, e os metais filtram os campos elétricos externos de forma muito eficaz”, disseram Andreas Fuhrer e Fabrizio Nichele, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “Esse conceito fundamental, encontrado em todos os livros didáticos de física, foi questionado por uma publicação de 2018. Nesse trabalho, os autores alegaram ter ligado e desligado a supercondutividade em um nanofio de titânio por meio de campos elétricos moderados aplicados por um eletrodo de porta próximo. "

Se confirmadas, as descobertas reunidas em 2018 pela NEST e SPIN-CNR na Itália permitiriam o desenvolvimento de tipos totalmente novos de dispositivos de computação eletrônica e quântica baseados em supercondutores. Alguns anos atrás, eles decidiram desvendar o mecanismo físico microscópico que ocorre em supercondutores de tamanho nanométrico quando campos elétricos estão presentes.

Em um artigo inicial publicado em 2021, os pesquisadores delinearam algumas dicas iniciais sobre a possível origem da supercondutividade suprimida observada em nanofios de titânio. Seu novo estudo se baseia neste artigo, oferecendo uma explicação mais detalhada para as descobertas reunidas pela equipe do NEST e do SPIN-CNR.

"Nosso trabalho anterior mostrou que a supressão da supercondutividade sempre andou de mãos dadas com pequenas correntes de fuga que fluem do eletrodo de porta para o nanofio", explicaram Fuhrer e Nichele. "Tais correntes eram muito pequenas (alguns pA ou 0,000,000,000,001 Ampere), de modo que poderiam ter passado despercebidas em trabalhos anteriores. Para nós, era razoável supor que tal corrente seria responsável por interromper a supercondutividade, pois a energia de cada elétron transportado pela corrente era bastante grande (cerca de 100.000 maior do que a energia de ligação que mantém os elétrons em um metal no estado supercondutor)."

Embora seu estudo anterior tenha permitido que Fuhrer, Nichele e seus colegas tivessem uma noção do possível mecanismo subjacente à supressão observada da supercondutividade, ainda faltavam vários ingredientes-chave. O objetivo principal de seu artigo recente era oferecer uma explicação sólida e satisfatória para o fenômeno.

"Nossos novos experimentos são completamente consistentes com nosso primeiro trabalho, no sentido de que mostramos novamente que as correntes que vazam dos portões (não campos elétricos) são necessárias para suprimir a supercondutividade em nanofios metálicos", disseram Fuhrer e Nichele. "No entanto, agora também mostramos que a corrente não precisa fluir necessariamente do portão para o nanofio".

Um dispositivo semelhante ao apresentado acima, mas com uma trincheira de 500 nm de profundidade no substrato. A trincheira protege o nanofio dos fônons. Crédito:IBM, Ritter et al (2022)

Os pesquisadores obtiveram resultados semelhantes quando a corrente de elétrons de alta energia fluía para fora do fio e quando fluía entre dois eletrodos colocados nas proximidades do nanofio (sem que nenhum elétron alcançasse o próprio nanofio). Esses resultados destacam o papel crucial do substrato do material na supressão da supercondutividade.

Os dispositivos que os pesquisadores usaram em seus experimentos são baseados em uma pastilha de silício cristalino. Este é o substrato onde as correntes de elétrons de alta energia fluem quando altas tensões são aplicadas entre eletrodos.

"À medida que os elétrons, acelerados a alta energia pelas grandes voltagens, se movem no silício, eles chutam os átomos de silício continuamente, transferindo sua energia para vibrações na rede cristalina (o que os físicos chamam de 'fônons')", explicaram Fuhrer e Nichele. “Diferentemente dos elétrons, os fônons percorrem distâncias muito longas na rede de silício (vários micrômetros) e podem facilmente perturbar o estado supercondutor no nanofio metálico”.

O trabalho recente de Fuhrer, Nichele e seus colegas mostra que, em contraste com os fótons, os fônons atuam como mediadores. Com base nessa descoberta, a equipe criou um dispositivo de comutação que consiste em uma trincheira profunda gravada em um substrato de silício.

"A trincheira reflete os fônons gerados de um lado e protege o nanofio, que persiste por mais tempo no estado supercondutor", disseram Fuhrer e Nichele. "As vibrações estão sempre presentes em um cristal, quanto maior a temperatura, mais o cristal vibra. No entanto, os fônons que produzimos em nossos aparelhos têm energias totalmente diferentes daquelas resultantes de um aumento de temperatura."

Quando os pesquisadores realizaram seus experimentos em temperaturas abaixo de 4 Kelvin, descobriram que os fótons produzidos tinham uma temperatura acima de 100 Kelvin. Essa descoberta explica por que dispositivos de comutação como o que eles desenvolveram têm requisitos de energia muito baixos em comparação com comutadores mais convencionais.

No geral, o trabalho recente de Fuhrer, Nichele e seus colegas da IBM Research oferece uma explicação coerente e convincente para os resultados experimentais publicados pela equipe do NEST e SPIN-CNR em 2018, que antes eram inexplicáveis. No futuro, sua explicação pode ajudar a entender melhor os supercondutores, potencialmente permitindo seu uso para o desenvolvimento de novos tipos de dispositivos.

"Nosso estudo também contribui para uma nova geração de dispositivos supercondutores, onde um elemento metálico pode ser alterado de supercondutor para resistivo de maneira muito rápida e eficiente em termos de energia", disseram Fuhrer e Nichele. “Isso pode encontrar aplicação imediata no campo da computação quântica, por exemplo, na área que envolve a eletrônica de controle que faz a interface de bits quânticos com computadores clássicos”.

Em seu artigo, Fuhrer, Nichele e seus colegas também introduziram uma abordagem para gerar elétrons e fônons de alta energia sob demanda. Partículas de alta energia, como raios cósmicos que atingem a Terra do espaço sideral, são conhecidas por afetar negativamente o funcionamento de computadores quânticos. No futuro, portanto, sua abordagem também poderá ser usada para estudar ainda mais os efeitos das excitações de alta energia na tecnologia quântica.

"Nossa principal atividade é a realização de bits quânticos", acrescentou. "Em nossos próximos trabalhos, gostaríamos de combinar nosso elemento de comutação com um qubit e investigar o quão próximo o comutador pode ser colocado para que novas funcionalidades sejam introduzidas sem as desvantagens associadas aos fônons". + Explorar mais