A supercondutividade é bem compreendida nos chamados supercondutores "convencionais". Mais recentes, porém, são os supercondutores não convencionais e ainda não está claro como eles funcionam.



Uma equipe do HZDR, juntamente com colegas do CEA, da Universidade Tohoku no Japão, e do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, explicaram agora por que um novo material continua supercondutor mesmo em campos magnéticos extremamente elevados – uma propriedade que está faltando em supercondutores convencionais. A descoberta tem o potencial de permitir aplicações tecnológicas anteriormente inconcebíveis. O estudo foi publicado na Nature Communications .

"Ditelureto de urânio ou UTe₂ para resumir, é um grande voador entre os materiais supercondutores", diz o Dr. Toni Helm do Laboratório de Alto Campo Magnético (HLD) de Dresden no HZDR. "Conforme descoberto em 2019, o composto conduz eletricidade sem perdas, no entanto, de uma maneira diferente do que os supercondutores convencionais."

Desde então, grupos de pesquisa em todo o mundo se interessaram pelo material. Isso inclui a equipe de Helm, que deu um passo mais perto de compreender o composto.

“Para apreciar plenamente o entusiasmo em torno do material, precisamos olhar mais de perto a supercondutividade”, explica o físico. "Esse fenômeno resulta do movimento dos elétrons no material. Sempre que colidem com átomos, eles perdem energia na forma de calor. Isso se manifesta como resistência elétrica. Os elétrons podem evitar isso organizando-se em formações de pares, os chamados pares de Cooper ."

Um par de Cooper descreve dois elétrons combinados em baixas temperaturas para se moverem através de um sólido sem atrito. Eles aproveitam as vibrações atômicas ao seu redor como uma espécie de onda na qual podem surfar sem perder energia. Essas vibrações atômicas explicam a supercondutividade convencional.

“Há alguns anos, porém, também são conhecidos supercondutores em que pares de Cooper são formados por efeitos ainda não totalmente compreendidos”, diz o físico. Uma forma possível de supercondutividade não convencional é a supercondutividade spin-tripleta, que se acredita fazer uso de flutuações magnéticas.

“Existem também metais nos quais os elétrons de condução se unem coletivamente”, explica Helm. "Juntos, eles podem proteger o magnetismo do material, comportando-se como uma única partícula com - para os elétrons - uma massa extremamente alta."

Esses materiais supercondutores são conhecidos como supercondutores de férmions pesados. UTe₂ , portanto, poderia ser um supercondutor de spin-tripleto e um supercondutor de férmions pesados, como sugerem os experimentos atuais. Além disso, é o campeão mundial dos pesos pesados ​​– até o momento, nenhum outro superconduto de férmions pesados ​​conhecido em campos magnéticos semelhantes ou superiores. Isto também foi confirmado pelo presente estudo.

Extremamente robusto contra campos magnéticos

A supercondutividade depende de dois fatores:a temperatura crítica de transição e o campo magnético crítico. Se a temperatura cair abaixo da temperatura crítica de transição, a resistência cai para zero e o material torna-se supercondutor. Os campos magnéticos externos também influenciam a supercondutividade. Se estes excederem um valor crítico, o efeito entra em colapso.

“Os físicos têm uma regra prática para isso”, disse Helm. "Em muitos supercondutores convencionais, o valor da temperatura de transição em Kelvin é aproximadamente uma a duas vezes o valor da força crítica do campo magnético em tesla. Em supercondutores spin-tripletos, essa proporção é frequentemente muito maior."

Com seus estudos sobre o peso pesado UTe₂ , os investigadores conseguiram agora elevar ainda mais a fasquia:a uma temperatura de transição de 1,6 Kelvin (–271,55°C), a intensidade crítica do campo magnético atinge 73 tesla, estabelecendo a relação em 45 – o que é um recorde.

“Até agora, os supercondutores de férmions pesados ​​tinham pouco interesse para aplicações técnicas”, explica o físico. “Eles têm uma temperatura de transição muito baixa e o esforço necessário para resfriá-los é comparativamente alto”.

No entanto, a sua insensibilidade aos campos magnéticos externos poderia compensar esta deficiência. Isso ocorre porque o transporte de corrente sem perdas é usado hoje principalmente em ímãs supercondutores, por exemplo, em scanners de ressonância magnética (MRI). No entanto, os campos magnéticos também influenciam o próprio supercondutor.

Um material que possa suportar campos magnéticos muito elevados e ainda conduzir eletricidade sem perdas representaria um grande avanço.

Tratamento especial para um material exigente

"Claro, UTe₂ não pode ser usado para fazer condutores para um eletroímã supercondutor", diz Helm. "Primeiro, as propriedades do material o tornam inadequado para esse empreendimento e, segundo, ele é radioativo. Mas é perfeitamente adequado para a exploração da física por trás da supercondutividade spin-tripleto."

Com base em seus experimentos, os pesquisadores desenvolveram um modelo que poderia servir de explicação para a supercondutividade com estabilidade extremamente alta contra campos magnéticos. Para fazer isso, trabalharam em amostras com espessura de alguns micrômetros – apenas uma fração da espessura de um fio de cabelo humano (aproximadamente 70 micrômetros). A radiação radioativa emitida pelas amostras, portanto, permanece muito inferior à do fundo natural.

Para obter e moldar uma amostra tão pequena, Helm usou um feixe de íons de alta precisão com diâmetro de apenas alguns nanômetros como ferramenta de corte. UTe₂ é um material sensível ao ar. Consequentemente, Helm realiza a preparação das amostras no vácuo e posteriormente as sela com cola epóxido.

"Para a prova final de que o nosso material é um supercondutor spin-tripleto, teríamos que examiná-lo espectroscopicamente enquanto está exposto a campos magnéticos fortes. No entanto, os métodos atuais de espectroscopia ainda têm dificuldades em campos magnéticos acima de 40 tesla. Juntamente com outras equipes, nós também estamos trabalhando no desenvolvimento de novas técnicas. Eventualmente, isso nos permitirá fornecer provas definitivas", diz Helm.

Mais informações: Toni Helm et al, Compensação de troca magnética induzida por campo como a possível origem da supercondutividade reentrante em UTe₂ , Comunicações da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44183-1
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Associação Helmholtz de Centros de Pesquisa Alemães