As transições de fase em diferentes estados da matéria, como a condensação de gases em líquidos ou a transição de um metal normal para um estado supercondutor, podem ser descritas usando a teoria de quebra de simetria de Ginzburg-Landau. Contudo, tal teoria não é mais válida para transições de fase no limite bidimensional.



As transições de fase bidimensionais são impulsionadas por defeitos topológicos conhecidos como transições de fase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) (Kosterlitz e Thouless receberam o Prêmio Nobel de Física em 2016 por esta descoberta). Defeitos topológicos em sistemas supercondutores são chamados de vórtices. Para um sistema supercondutor bidimensional infinitamente grande em baixa temperatura, pares vórtice-antivórtice com vorticidade oposta são unidos e o sistema está em um estado supercondutor estável.

À medida que a temperatura aumenta, os pares vórtice-antivórtice tornam-se instáveis ​​devido às flutuações térmicas, e a atração entre o vórtice e o antivórtice dentro dos pares enfraquece gradualmente até que se separem em vórtices livres e antivórtices. Este processo leva à transição de fase BKT.

A assinatura definitiva dessa transição é um salto na densidade do superfluido na temperatura de transição. No entanto, o tamanho característico dos vórtices no limite bidimensional é significativamente maior do que no espaço tridimensional. Quando o tamanho da amostra se aproxima do tamanho característico dos vórtices (ou quando a amostra tem heterogeneidades), isso irá manchar o salto na densidade do superfluido. Isto torna muito desafiador determinar a transição de fase BKT em supercondutores bidimensionais em amostras realistas.

Supercondutores Cuprate de alta temperatura, como Bi₂ Sr₂ CaCu₂ O_8+δ (Bi2212), com estrutura em camadas, têm sido extensivamente estudados como supercondutores não convencionais. A conexão entre correlações de carga e supercondutividade nesses materiais continua sendo um grande enigma na física da matéria condensada. A monocamada Bi2212 foi fabricada com sucesso recentemente. Mas as técnicas convencionais de medição não detectaram nenhum sinal da transição de fase BKT deste supercondutor bidimensional.

Em vez disso, a monocamada apresenta características muito semelhantes às dos materiais a granel, incluindo temperatura de transição, pseudogap, onda de densidade de carga e assim por diante. Isso confunde ainda mais a relação entre as transições de fase supercondutoras e a correlação de carga neste sistema.

Portanto, a busca por evidências para a transição de fase BKT na monocamada Bi2212 e o esclarecimento das diferenças e conexões entre as transições de fase supercondutoras através da dimensionalidade são importantes para a compreensão deste material.

O Departamento de Física da Universidade Fudan, em colaboração com as equipes de pesquisa lideradas pelos professores Yihua Wang, Yuanbo Zhang e Yang Qi, utilizou microscopia de varredura SQUID para investigar a resposta magnética local do Bi2212 de monocamadas a camadas espessas através da transição de fase supercondutora. Nas monocamadas, um pico paramagnético positivo na magnetização aparece dentro da faixa de temperatura abaixo da temperatura crítica, e a posição do pico oscila com o fluxo magnético que passa pela amostra em unidades do quantum de fluxo.

Este fenômeno, conhecido como efeito Meissner paramagnético, ocorre no estado supercondutor exibindo o efeito Meissner. Além disso, descobriram que a largura do pico paramagnético aumenta com a temperatura, persistindo até a temperatura de transição. Estas características indicam coerência de fase estável na região crítica e um efeito de triagem de plasma gradualmente crescente devido à separação de pares vórtice-antivórtice, consistente com a transição de fase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) induzida por excitações de vórtice.

O aparecimento de picos de suscetibilidade paramagnética em Bi2212 multicamadas e de camada espessa sugere que a transição supercondutora do Bi2212 subdopado é uma transição BKT generalizada com acoplamento intercamadas. Este resultado não apenas identifica uma importante característica magnética da transição BKT em sistemas finitos, mas também esclarece a relação homóloga entre as transições supercondutoras da monocamada e do Bi2212 em massa, fornecendo pistas para a compreensão do pseudogap na região subdopada dos supercondutores cuprato.

Este trabalho foi publicado na National Science Review sob o título "Efeito Meissner paramagnético oscilante e transição Berezinskii-Kosterlitz-Thouless em Bi subdopado₂ Sr₂ CaCu₂ O_8+δ ".