Supercondutividade induzida por campo em materiais quânticos
Supercondutividade ferromagnética ajustável em campo e deformação. (A) O material ferromagnético Eu(Fe.88Co.12)2As2 consiste em planos empilhados de Eu e camadas de FeAs dopadas, com o primeiro exibindo ferromagnetismo (FM; TFM =17 K) e o último hospedando ambas nematicidade (N; TS =68 K) e supercondutividade (SC; TSC =19 K). Abaixo do TFM, a coexistência e competição entre as três fases permitem um ajuste excepcional da supercondutividade. (B) Um pequeno campo magnético no plano reorienta os momentos Eu de fora do plano para dentro do plano, reduzindo o fluxo magnético através das camadas de FeAs. Um estado de resistência zero (R =0) ocorre nas proximidades da saturação total dos momentos no plano (em H =Hsat), demonstrando supercondutividade induzida por campo. (C) Como em outros supercondutores de ferro-pnictídeo, a competição de fase N/SC permite um ajuste de tensão eficaz da supercondutividade por meio do ajuste de tensão da ordem nemática acoplada à rede. A tensão de tração (ɛxx> 0) ao longo da direção de ligação do FeAs suprime a ortorrombicidade induzida pela nematicidade ao longo da direção de ligação do FeFe. Isso aumenta a supercondutividade, com a entrada no estado R =0 rotulada como ε. (D) A sintonia combinada de tensão e campo da resistividade define uma região supercondutora R =0 do diagrama de fases (cinza) a uma temperatura fixa, com uma forma precisa que depende dos valores (dependentes da temperatura) de ε e Hsat. Para campos de H =0 a H =Hsat, a deformação seleciona entre um estado sempre metálico (magenta), um estado sempre supercondutor (verde) e um estado supercondutor induzido por campo (ciano). Assim, a deformação atua como uma chave seletora para o ajuste do campo de fase. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj5200 A supercondutividade induzida por campo ocorre quando um campo magnético aplicado aumenta ou induz a supercondutividade. Em um novo relatório publicado na Science Advances , Joshua J. Sanchez e uma equipe de cientistas aplicaram o estresse como uma mudança entre um estado supercondutor sintonizável em campo e um estado robusto não sintonizável em campo, para marcar a primeira demonstração de uma válvula de rotação supercondutora ajustável por tensão com magnetorresistência infinita.
Os cientistas combinaram tensão uniaxial ajustável e aplicaram um campo magnético no supercondutor ferromagnético para mudar a temperatura de resistência zero induzida pelo campo. Usando medidas de difração de raios X e espectroscopia sob estresse, a equipe propôs que a origem da supercondutividade induzida por campo resultasse de um novo mecanismo conhecido como dobra dipolar.
Materiais quânticos na física da matéria condensada
É possível alternar entre fases eletrônicas distintas em materiais quânticos ajustando os parâmetros para mostrar como eles interagem para impulsionar o desenvolvimento tecnológico. Uma área de desenvolvimento significativo inclui o ferromagnetismo e a supercondutividade, cujas interações antagônicas levam a fenômenos incomuns, incluindo vórtices magnéticos e supercorrentes polarizadas por spin como métodos promissores para armazenamento de dados com eficiência energética.
Os pesquisadores concentraram muita atenção nas válvulas de rotação supercondutoras que circundam uma camada supercondutora, para tecnologias de informação de baixa dissipação de energia. O desenvolvimento de tais tecnologias pode ser limitado pelas temperaturas muito baixas necessárias para implementá-las.
Além de heteroestruturas artificiais, um punhado de materiais de cristal único mostraram supercondutividade induzida por campo, supercondutores dopados derretidos e supercondutores orgânicos. Nestes materiais e nas válvulas de rotação supercondutoras de película fina, a temperatura de resistência zero é inferior a 1 Kelvin, limitando assim as suas aplicações práticas. Supercondutividade induzida por campo de deformação zero. Resistividade da amostra 1 versus temperatura para campo aplicado zero (preto) e μ0H =0,2 T (linha sólida) e 1 T (linha tracejada) aplicado no plano (vermelho) e fora do plano (azul). Para μ0H =0,2 T aplicado no plano, a temperatura de resistividade zero aumenta de T0 =7,5 para 9,0 K. Crédito:Science Advances , doi:10.1126/sciadv.adj5200 Supercondutância de filme fino
Dentro desses materiais, e dentro de válvulas de rotação supercondutoras de filme fino, a temperatura de resistência zero é inferior a 1 Kelvin, o que pode limitar suas aplicações práticas. Actualmente, os mecanismos subjacentes à supercondutividade induzida pelo campo continuam por determinar, onde o efeito pode aumentar a temperatura.
Neste trabalho, Sanchez et al. mostraram supercondutividade induzida por campo em materiais supercondutores co-dopados com 12% com temperatura variável, com tensão uniaxial aplicada. O valor forneceu a temperatura mais alta relatada de supercondutividade induzida por campo magnético em qualquer material. Os materiais dopados existiam como uma arquitetura de válvula de rotação supercondutora de filme fino cultivada naturalmente, com camadas ferromagnéticas e supercondutoras alternadas.
A equipe combinou os métodos de raios X síncrotron com medições de transporte para mostrar que a capacidade de ajuste de deformação e as propriedades de ajuste de campo existem como características de supercondutividade independente.
Sanchez e colegas combinaram o ajuste de deformação com campos de comutação de alta temperatura e baixa para criar uma plataforma existente para possíveis aplicações de spintrônica supercondutora. Eles ainda realizaram cálculos da teoria do funcional da densidade para destacar interações de troca ferromagnéticas e antiferromagnéticas para resolver o mistério da coexistência com ferromagnetos.
A equipe pretende explorar como este mecanismo pode ser realizado em outros sistemas, incluindo sistemas bidimensionais.
Supercondutividade induzida por campo
Durante esses experimentos, os cientistas cultivaram monocristais com 12% de materiais co-dopados em fluxo de estanho e notaram como a composição de crescimento não estequiométrica produziu amostras com temperaturas de transição supercondutoras aumentadas. Eles selecionaram amostras de diferentes lotes de crescimento e as prepararam de forma idêntica para melhor comparar o ajuste de campo e deformação da resistividade. Durante os experimentos, a equipe resfriou as amostras através das temperaturas supercondutoras e ferromagnéticas, respectivamente. Diagrama de deformação e fase ajustável em campo. (Direita) Resistividade versus temperatura para o estado de deformação zero (igual à curva preta nas Figuras 2 e 3) e para os estados de deformação de tração (verde) e compressão (magenta) na Figura 3C. (Esquerda) Limite de fase entre ρ> 0 e ρ =0 estados sob tensão zero (ciano), tensão (verde) e compressão (magenta), determinado por dados de resistividade versus temperatura (losangos) e resistividade versus campo magnético (quadrados). Supercondutividade induzida por campo indicada por áreas sombreadas para cada estado de deformação. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj5200 Depois de realizar essas medições, a equipe montou a amostra em um dispositivo de tensão uniaxial para medir a resistividade e a faixa de deformação. Quando eles aplicaram o campo com tensão de temperatura fixa, eles construíram um diagrama de fase ajustável em campo de deformação de supercondutividade.
A equipe de pesquisa notou a acessibilidade da supercondutividade induzida pelo campo em uma janela de temperatura sob tensão zero. À medida que a temperatura diminuiu, o aumento do momento magnético fez com que o ferromagnetismo tivesse uma influência maior na supercondutividade.
Deformação e campo magnético – os botões de ajuste da supercondutividade
Para identificar a independência da deformação e do campo magnético para ajustar a supercondutividade e resolver o mecanismo de supercondutividade induzida por campo, Sanchez e colegas conduziram medições de transporte sob deformação aplicada, concomitantemente com difração de raios X ou dicroísmo circular magnético de raios X na fonte avançada de fótons. . A difração de raios X forneceu um método poderoso para estudar supercondutores ferromagnéticos com informações magnéticas específicas do elemento, no modo de fluorescência.
A equipe então ajustou efetivamente a supercondutividade por meio de sua competição com a nematicidade ajustável por deformação e a ordem ferromagnética associada. A equipe de pesquisa observou a supercondutividade induzida por campo, onde uma faixa estreita de deformação permitia a supercondutividade induzida por campo. Posteriormente, para investigar a origem da supercondutividade induzida por campo, os pesquisadores realizaram medições simultâneas de resistividade e raios X para ajustar de forma independente os parâmetros de supercondutividade. Abordagem conceitual para uma chave seletora usando uma válvula de rotação supercondutora comutável por tensão. (A) Um divisor de corrente comutável em campo é criado conectando mecanicamente e eletricamente uma válvula de rotação supercondutora ajustável por tensão (SSV, azul) a um atuador piezoelétrico (cinza). (B) Uma corrente I passa através do SSV dos condutores de tensão de entrada (Vin) para saída (Vout), com Vout =Vin − IR. A tensão no piezo é ΔVp =Vout. (C) Os parâmetros do dispositivo são escolhidos de modo que uma deformação aplicada ɛxx(Vin) =ε e/ou um campo aplicado H =Hsat mude o SSV de um estado metálico (M, R> 0) para um estado supercondutor (SC, R =0). (D) O circuito inicializa no ponto (a) com o SSV no estado M. Gravação SC (ciano):Um campo magnético de escrita é aplicado para mudar o SSV do estado M para o estado SC. À medida que H aumenta para Hsat, R reduz para zero, o que aumenta a tensão piezoelétrica para ΔVp =Vin e aumenta a deformação para ε [ponto (b)]. A tensão adicional aplicada mantém o estado SC após o campo de escrita ser removido [ponto (c)]. Assim, o dispositivo exibe memória. Apagar SC (magenta):O SSV pode retornar ao estado M (o estado SC escrito pode ser apagado) descarregando diretamente o piezo, ou seja, definindo Vin =0. Crédito:Science Advances , doi:10.1126/sciadv.adj5200 Os pesquisadores incorporaram o composto original antiferromagnético como uma forte interação biquadrática entre os momentos metálicos para manifestar um grande acoplamento magneto-estrutural. Neste trabalho, a equipe observou a divisão de Zeeman induzida por um campo externo para facilitar a supercondutividade. A coexistência de supercondutividade e ferromagnetismo foi outra característica notável de materiais relacionados.
Perspectiva
Desta forma, Joshua J Sanchez e colegas apresentaram supercondutividade induzida por campo entre uma faixa de temperaturas, combinando difração de raios X, dicroísmo circular de raios X e medições de transporte para mostrar como a deformação e o campo magnético facilitaram botões de sintonia independentes.
A alta sintonização do sistema resultou na coexistência simultânea de fases supercondutoras, nemáticas e ferromagnéticas. Os cientistas esperam temperaturas supercondutoras induzidas por campo ainda mais altas em materiais projetados com um equilíbrio perfeito entre supercondutividade de temperatura mais alta e ferromagnetismo.
Pesquisas futuras poderiam avaliar a capacidade ou potencial de um material para conduzir aplicações de spintrônica supercondutora, estudando o grau de polarização do spin e o emparelhamento spin-tripleto à medida que passa por camadas magnéticas sintonizáveis em campo.
Mais informações: Joshua J. Sanchez et al, Supercondutividade induzida por campo comutável por tensão, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj5200 Informações do diário: Avanços da ciência
