Cientistas da Skoltech, MIPT, NUST MISiS e do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou observaram diretamente como nanofios supercondutores individuais perdem sua propriedade única de transporte de corrente elétrica sem resistência ao serem afetados por um campo magnético. Os cientistas usaram uma técnica especial desenvolvida anteriormente, baseada em microondas, para induzir e detectar supercondutividade em nanofios individuais. Suas descobertas são relatadas na revista Nano Letters.

Supercondutividade é um estado de condutividade elétrica perfeita exibido por certos materiais, chamados supercondutores, quando resfriados abaixo de uma temperatura crítica característica. Abaixo da temperatura crítica, a resistência elétrica de um supercondutor cai exatamente para zero e ele pode conduzir uma corrente elétrica sem quaisquer perdas (desde que a corrente não exceda um valor crítico). Este fenômeno é a base de muitas tecnologias modernas, como ímãs poderosos, detectores ultrassensíveis de campos magnéticos (SQUIDs) e dispositivos digitais de alta velocidade.

Nanofios individuais (fios com dimensões da ordem de bilionésimos de metro) feitos de supercondutores têm sido ativamente estudados nas últimas duas décadas. Quando supercondutores são usados ​​em escalas tão minúsculas, pode-se observar fenômenos quânticos exóticos que estão ausentes em materiais a granel. Por exemplo, previu-se teoricamente que nanofios individuais passariam por transições de fase quântica, a mudança no estado do material impulsionada por flutuações quânticas, não pela temperatura. Infelizmente, essas previsões permaneceram indiretas porque até recentemente não existia nenhuma ferramenta que permitisse a observação direta da supercondutividade e das transições de fase quântica em nanofios individuais.

"Em nosso trabalho anterior relatado no ano passado na Nature Communications, desenvolvemos uma técnica experimental que usa microondas para induzir e detectar supercondutividade em nanofios. Esta técnica é única e nos permite, pela primeira vez, não apenas dizer se um nanofio individual mostra supercondutividade ou não, mas também para observar diretamente várias características dos nanofios supercondutores, incluindo o estado livre de resistência, corrente crítica, lacuna de energia e assim por diante. o efeito de um campo magnético externo em um único nanofio supercondutor", explica Evgeny Mishchenko, pesquisador sênior do Laboratório de Materiais e Dispositivos Quânticos do Centro Skoltech de Ciência e Tecnologia Quântica.

Os cientistas pegaram nanofios individuais feitos de alumínio – um supercondutor comum – e usaram sua técnica para aplicar e detectar simultaneamente uma corrente elétrica ao longo dos nanofios. Eles então expuseram os nanofios a um campo magnético externo e observaram diretamente o surgimento e a evolução do estado livre de resistência. Eles revelaram a intrincada evolução do estado livre de resistência em função da força do campo magnético, o que é explicado pela teoria.

“Estamos trabalhando no aperfeiçoamento desta técnica há quase uma década e estou muito entusiasmado por ela finalmente nos permitir explorar e compreender diretamente a física básica por trás da operação de dispositivos supercondutores em nanoescala”, diz Alexander Golubov, professor da Skoltech. e o chefe do Laboratório de Materiais e Dispositivos Quânticos.

Os cientistas enfatizam que o desenvolvimento adicional da técnica pode abrir caminho para a realização prática da computação quântica e das tecnologias de comunicação quântica baseadas em nanofios supercondutores individuais. Por exemplo, acredita-se que a transição de fase quântica observada seja muito promissora para a realização dos chamados férmions de Majorana, que são considerados os candidatos mais viáveis ​​para qubits na computação quântica topológica.