Cientistas descobrem um estado supercondutor indescritível previsto pela primeira vez em 2017

Em um experimento inovador, pesquisadores da Universidade de Groningen colaboraram com colegas das Universidades de Nijmegen e Twente, na Holanda, e do Harbin Institute of Technology, na China. Juntos, eles confirmaram a existência de um estado supercondutor que foi previsto pela primeira vez em 2017.

Suas descobertas, que estabelecem evidências de uma forma única do estado FFLO supercondutor, foram publicadas recentemente na revista natureza. Este avanço tem o potencial de ser influente, particularmente no campo da eletrônica supercondutora.

Este é o Prof. Dr. Justin Yee, presidente do Grupo de Física de Dispositivos para Materiais Complexos da Universidade de Groningen, na Holanda, e principal autor do artigo da Nature sobre o estado supercondutor de FFLO. Crédito: Sylvia Germes

O principal autor do artigo é o professor Justin Yee, que chefia o grupo Device Physics for Complex Materials da Universidade de Groningen. Ye e sua equipe têm trabalhado no caso supercondutor Ising. Este é um caso especial que pode resistir aos campos magnéticos que destroem a supercondutividade em geral, e foi isso A equipe descreveu em 2015.

Em 2019, eles criaram Dispositivo composto por uma dupla camada de dissulfeto de molibdênioe pode ser associado aos estados supercondutores Ising presentes nas duas camadas. Curiosamente, o dispositivo que Ye e sua equipe criaram permite ligar ou desligar essa proteção usando um campo elétrico, resultando em um transistor supercondutor.

Enganoso

O dispositivo supercondutor duplo de Ising lança luz sobre um desafio de longa data no campo da supercondutividade. Em 1964, quatro cientistas (Fulde, Ferrell, Larkin e Ovchinnikov) previram um estado supercondutor especial que pode existir sob condições de baixa temperatura e forte campo magnético, conhecido como estado FFLO.

Na supercondutividade padrão, os elétrons viajam em direções opostas como pares de Cooper. Como eles estão se movendo na mesma velocidade, o momento total desses elétrons é zero. No entanto, no caso do FFLO, há pouca diferença de velocidade entre os elétrons nos pares de Cooper, o que implica um momento cinético líquido.

“Este caso é muito evasivo e existem apenas alguns materiais que afirmam ser supercondutores comuns”, diz Ye. No entanto, nada disso é conclusivo.

Este diagrama de fase mostra a existência de um estado anisotrópico de seis orbitais, que ocupa grande parte do diagrama de fase. No canto superior direito, as ilustrações esquemáticas mostram a modulação espacial do parâmetro de ordem supercondutora. Crédito: P. Wan/Universidade de Groningen

Para criar o estado FFLO em um supercondutor convencional, é necessário um forte campo magnético. Mas o papel desempenhado pelo campo magnético precisa ser ajustado com precisão. Simplificando, para que o campo magnético desempenhe duas funções, precisamos usar o efeito Zeeman. Isso separa os elétrons em pares de Cooper com base em sua direção de rotação (momento magnético), mas não no efeito orbital – o outro papel que geralmente destrói a supercondutividade.

“É uma negociação delicada entre a supercondutividade e o campo magnético externo”, explica Yi.

impressão digital

O primeiro autor, Buhua Wan, produziu amostras que atendiam a todos os requisitos para demonstrar que há, de fato, momento finito em pares de Cooper. Crédito: P. Wan/Universidade de Groningen

é a supercondutividade, que foram apresentados por Ye e seus colaboradores e publicados na revista ciências Em 2015, ele suprimiu o efeito Zeeman. “Ao filtrar o principal componente que torna possível o FFLO convencional, liberamos amplo espaço para o campo magnético desempenhar seu outro papel, que é o efeito orbital”, diz Ye.

“O que mostramos em nosso artigo é uma impressão clara do estado FFLO impulsionado pelo efeito orbital no supercondutor de Ising”, explica Yi. “Este é um caso FFLO atípico, descrito pela primeira vez teoricamente em 2017”. O estado FFLO em supercondutores convencionais requer temperaturas muito baixas e campos magnéticos muito fortes, o que dificulta sua formação. No entanto, no supercondutor Ising de Ye, o estado é alcançado com um campo magnético mais fraco e em temperaturas mais altas.

transistores

Na verdade, Yi notou pela primeira vez sinais do estado FFLO em seu dispositivo supercondutor para dissulfeto de molibdênio em 2019. “Naquela época, não podíamos provar, porque as amostras não eram boas o suficiente”, diz Yi. No entanto, ele obteve seu Ph.D. Desde então, o aluno Puhua Wan conseguiu produzir amostras de material que atendem a todos os requisitos para mostrar que existe de fato um momento finito em pares de Cooper. “Os testes reais levaram meio ano, mas a análise dos resultados acrescentou mais um ano”, diz Ye. Wan é o primeiro autor do natureza papel.

Este novo estado supercondutor precisa de mais investigação. Você: “Há muito a aprender sobre isso. Por exemplo, como o momento cinético afeta os parâmetros físicos? Estudar esse estado fornecerá novos insights sobre a supercondutividade. Isso pode nos permitir controlar esse estado em dispositivos como transistores. Este é nosso próximo desafio.”

Referência: “Estado orbital Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov no supercondutor Ising” de Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z