Descoberta de um ponto crítico quântico oculto em supercondutores bidimensionais

O quadro completo das flutuações na supercondutividade foi revelado em uma ampla faixa de campo magnético e em uma ampla faixa de temperatura, desde muito mais alta que a temperatura de transição supercondutora até uma temperatura muito baixa de 0,1 K. A existência de uma linha de cruzamento entre temperaturas térmicas flutuações (clássicas) e quânticas são demonstradas pela primeira vez, e o ponto crítico quântico onde esta linha atinge o zero absoluto existe dentro da região metálica anômala. Crédito:Koichiro Ienaga

Flutuações fracas na supercondutividade, um fenômeno precursor da supercondutividade, foram detectadas com sucesso por um grupo de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech). Este avanço foi alcançado medindo o efeito termoelétrico em supercondutores em uma ampla gama de campos magnéticos e em uma ampla faixa de temperaturas, desde muito mais altas que a temperatura de transição supercondutora até temperaturas muito baixas próximas do zero absoluto. Os resultados deste estudo foram publicados online na Nature Communications em 16 de março de 2024.

Isto revelou o quadro completo das flutuações na supercondutividade em relação à temperatura e ao campo magnético, e demonstrou que a origem do estado metálico anômalo nos campos magnéticos - que tem sido um problema não resolvido no campo da supercondutividade bidimensional há 30 anos - é a existência de um ponto crítico quântico, onde as flutuações quânticas são mais fortes.

Filmes finos supercondutores

Um supercondutor é um material no qual os elétrons se emparelham em baixas temperaturas, resultando em resistência elétrica zero. É usado como material para eletroímãs poderosos em ressonância magnética médica e outras aplicações.

Eles também são considerados cruciais como pequenos elementos lógicos em computadores quânticos que operam em temperaturas criogênicas, e há necessidade de elucidar as propriedades dos supercondutores em temperaturas criogênicas quando são microminiaturizados.

Supercondutores bidimensionais atomicamente finos são fortemente afetados por flutuações e, portanto, exibem propriedades que diferem significativamente daquelas dos supercondutores mais espessos.

Existem dois tipos de flutuações:térmicas (clássicas), que são mais pronunciadas em altas temperaturas, e quânticas, que são mais importantes em temperaturas muito baixas. Este último causa uma variedade de fenômenos interessantes. Por exemplo, quando um campo magnético é aplicado perpendicularmente a um supercondutor bidimensional em zero absoluto e aumentado, ocorre uma transição da supercondutividade de resistência zero para um isolante com elétrons localizados.

Este fenômeno é chamado de transição supercondutor-isolante induzida por campo magnético e é um exemplo típico de transição de fase quântica causada por flutuações quânticas. No entanto, sabe-se desde a década de 1990 que, para amostras com efeitos de localização relativamente fracos, um estado metálico anômalo aparece na região intermediária do campo magnético, onde a resistência elétrica é várias ordens de grandeza inferior ao estado normal.

Acredita-se que a origem deste estado metálico anômalo seja um estado semelhante a um líquido, no qual as linhas de fluxo magnético que penetram no supercondutor se movem devido a flutuações quânticas.

No entanto, esta previsão não foi fundamentada porque a maioria dos experimentos anteriores em supercondutores bidimensionais usaram medições de resistividade elétrica que examinam a resposta da tensão à corrente, tornando difícil distinguir entre os sinais de tensão originados do movimento das linhas de fluxo magnético e aqueles originados de o espalhamento de elétrons de condução normal.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor assistente Koichiro Ienaga e pelo professor Satoshi Okuma do Departamento de Física da Escola de Ciências da Tokyo Tech reporta em Physical Review Letters em 2020, o movimento quântico das linhas de fluxo magnético ocorre em um estado metálico anômalo usando o efeito termoelétrico, no qual a tensão é gerada em relação ao fluxo de calor (gradiente de temperatura) em vez da corrente.

Para esclarecer ainda mais a origem do estado metálico anômalo, é necessário elucidar o mecanismo pelo qual o estado supercondutor é destruído pela flutuação quântica e pela transição para o estado normal (isolante).

Neste estudo, eles realizaram medições destinadas a detectar o estado de flutuação supercondutor, que é um estado precursor da supercondutividade e que se acredita existir no estado normal.

(Esquerda) Em um campo magnético de magnitude moderada, as linhas de fluxo magnético penetram na forma de defeitos acompanhados por vórtices de correntes supercondutoras. (Centro) Diagrama conceitual do estado de "flutuação supercondutora", um precursor da supercondutividade. Formam-se regiões supercondutoras semelhantes a bolhas, variantes no tempo, espacialmente não uniformes. (Direita) Diagrama esquemático da medição do efeito termoelétrico. O movimento da linha de fluxo magnético e as flutuações supercondutoras geram uma tensão perpendicular ao fluxo de calor (gradiente de temperatura). Crédito:Koichiro Ienaga

Resultados da pesquisa

Neste estudo, um molibdênio-germânio (Mo_x Ge_1-x ) filmes finos com estrutura amorfa, conhecidos como supercondutores bidimensionais com estrutura e desordem uniformes, foram fabricados e utilizados. Tem 10 nanômetros de espessura (um nanômetro equivale a um bilionésimo de metro) e promete ter os efeitos de flutuação característicos dos sistemas bidimensionais.

Como os sinais de flutuação não podem ser detectados por medições de resistividade elétrica porque estão enterrados no sinal de espalhamento de elétrons de condução normal, os pesquisadores realizaram medições de efeito termoelétrico, que podem detectar dois tipos de flutuações:1) flutuações supercondutoras (flutuações na amplitude da supercondutividade ) e 2) movimento da linha de fluxo magnético (flutuações na fase de supercondutividade).

Quando uma diferença de temperatura é aplicada na direção longitudinal da amostra, as flutuações supercondutoras e o movimento das linhas de fluxo magnético geram uma tensão na direção transversal.

Em contraste, o movimento normal dos elétrons gera voltagem principalmente na direção longitudinal. Em amostras como materiais amorfos, onde os elétrons não se movem facilmente, a tensão gerada pelos elétrons na direção transversal é insignificante, de modo que a contribuição da flutuação por si só pode ser detectada seletivamente medindo a tensão transversal.

O efeito termoelétrico foi medido em uma variedade de campos magnéticos e em uma variedade de temperaturas variando desde muito mais alta que a temperatura de transição supercondutora de 2,4 K (Kelvin) até uma temperatura muito baixa de 0,1 K (1/3000 de 300 K, a temperatura ambiente temperatura), que está próximo do zero absoluto. Isso revela que as flutuações supercondutoras sobrevivem não apenas na região líquida do fluxo magnético, onde as flutuações da fase supercondutora são mais pronunciadas, mas também em uma ampla região de campo magnético-temperatura mais externa que é considerada a região do estado normal, onde a supercondutividade está destruído.

Notavelmente, a linha de cruzamento entre as flutuações térmicas (clássicas) e quânticas foi detectada com sucesso pela primeira vez. O valor do campo magnético quando a linha de cruzamento atinge o zero absoluto provavelmente corresponde ao ponto crítico quântico onde as flutuações quânticas são mais fortes, e esse ponto está claramente localizado dentro da faixa do campo magnético onde um estado metálico anômalo foi observado na resistência elétrica.

Não foi possível detectar a existência deste ponto crítico quântico a partir de medições de resistividade elétrica até agora. Este resultado revela que o estado metálico anômalo em um campo magnético no zero absoluto em supercondutores bidimensionais, que permaneceu sem solução por 30 anos, tem origem na existência do ponto crítico quântico. Em outras palavras, o estado metálico anômalo é um estado fundamental quântico crítico ampliado para a transição supercondutor-isolante.

As medições do efeito termoelétrico obtidas para supercondutores convencionais amorfos podem ser consideradas dados padrão para o efeito termoelétrico em supercondutores, uma vez que capturam puramente o efeito das flutuações na supercondutividade sem a contribuição de elétrons no estado normal.

O efeito termoelétrico é importante em termos de sua aplicação em sistemas de resfriamento elétrico, etc., e há necessidade de desenvolver materiais que apresentem um grande efeito termoelétrico em baixas temperaturas para estender o limite das temperaturas de resfriamento. Efeitos termoelétricos anormalmente grandes foram relatados em baixas temperaturas em certos supercondutores, e a comparação com os dados atuais pode fornecer uma pista sobre sua origem.

Pesquisas futuras poderiam demonstrar a previsão teórica de que em supercondutores bidimensionais com efeitos de localização mais fortes do que a amostra atual, as linhas de fluxo magnético estarão em um estado quântico condensado. No futuro, os pesquisadores planejam implantar experimentos utilizando os métodos deste estudo com o objetivo de detectá-los.

Mais informações: Koichiro Ienaga et al, Estado fundamental quântico crítico ampliado em um filme fino supercondutor desordenado, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46628-7
Informações do diário: Cartas de revisão física , Comunicações da Natureza

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Tóquio

Dando um novo toque ao dissulfeto de tântalo da fase 1T:os cientistas descobrem um estado eletrônico oculto

Usando princípios da física para entender como as células se autoclassificam no desenvolvimento

Física