Os supercondutores intrigam os físicos há décadas. Mas esses materiais, que permitem o fluxo de elétrons perfeito e sem perdas, geralmente só exibem essa peculiaridade da mecânica quântica em temperaturas tão baixas – alguns graus acima do zero absoluto – que os tornam impraticáveis.



Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor de Física e Física Aplicada de Harvard, Philip Kim, demonstrou uma nova estratégia para fabricar e manipular uma classe amplamente estudada de supercondutores de alta temperatura chamados cupratos, abrindo caminho para a engenharia de formas novas e incomuns de supercondutividade em materiais anteriormente inatingíveis. .

Usando um método exclusivo de fabricação de dispositivos em baixa temperatura, Kim e sua equipe relatam na revista Science um candidato promissor para o primeiro diodo supercondutor de alta temperatura do mundo - essencialmente, uma chave que faz a corrente fluir em uma direção - feito de finos cristais de cuprato.

Tal dispositivo poderia, teoricamente, alimentar indústrias emergentes como a computação quântica, que dependem de fenómenos mecânicos passageiros e difíceis de sustentar.

"Diodos supercondutores de alta temperatura são, de fato, possíveis, sem aplicação de campos magnéticos, e abrem novas portas de investigação para o estudo de materiais exóticos", disse Kim.

Cupratos são óxidos de cobre que, décadas atrás, revolucionaram o mundo da física ao mostrar que se tornam supercondutores em temperaturas muito mais altas do que os teóricos pensavam ser possível, sendo "mais alto" um termo relativo (o recorde atual para um supercondutor cuprato é -225 Fahrenheit). No entanto, o manuseio desses materiais sem destruir suas fases supercondutoras é altamente complexo devido às suas intrincadas características eletrônicas e estruturais.

Os experimentos da equipe foram liderados por S. Y. Frank Zhao, ex-aluno da Griffin Graduate School of Arts and Sciences e agora pesquisador de pós-doutorado no MIT. Usando um método de manipulação de cristal criogênico sem ar em argônio ultrapuro, Zhao projetou uma interface limpa entre duas camadas extremamente finas de cuprato, bismuto, estrôncio, cálcio, óxido de cobre, apelidado de BSCCO ("bisco").

O BSCCO é considerado um supercondutor de "alta temperatura" porque começa a superconduzir a cerca de -288 Fahrenheit (-177 C) - muito frio para os padrões práticos, mas surpreendentemente alto entre os supercondutores, que normalmente devem ser resfriados a cerca de -400 Fahrenheit (-240 C). ).

Zhao primeiro dividiu o BSCCO em duas camadas, cada uma com um milésimo da largura de um fio de cabelo humano. Então, a -130 F (-90 C), ele empilhou as duas camadas com uma torção de 45 graus, como um sanduíche de sorvete com wafers tortos, retendo a supercondutividade na frágil interface.

A equipe descobriu que a supercorrente máxima que pode passar sem resistência pela interface é diferente dependendo da direção da corrente. Crucialmente, a equipe também demonstrou controle eletrônico sobre o estado quântico interfacial, invertendo essa polaridade.

Esse controle foi o que efetivamente lhes permitiu fabricar um diodo supercondutor comutável e de alta temperatura – uma demonstração da física fundamental que um dia poderia ser incorporada a uma peça de tecnologia de computação, como um bit quântico.

“Este é um ponto de partida na investigação de fases topológicas, apresentando estados quânticos protegidos de imperfeições”, disse Zhao.

A equipe de Harvard trabalhou com os colegas Marcel Franz, da Universidade de British Columbia, e Jed Pixley, da Rutgers University, cujas equipes realizaram anteriormente cálculos teóricos que previram com precisão o comportamento do supercondutor cuprato em uma ampla gama de ângulos de torção. A reconciliação das observações experimentais também exigiu novos desenvolvimentos teóricos realizados por Pavel A. Volkov, da Universidade de Connecticut.

Nota de correção (12/182023):graus Celsius foram adicionados ao artigo para complementar as medidas Fahrenheit relacionadas.

Mais informações: S. Y. Frank Zhao et al, Simetria de reversão de tempo quebrando a supercondutividade entre supercondutores de cuprato torcidos, Science (2023). DOI:10.1126/science.abl8371
Informações do diário: Ciência

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