Vórtices eletrônicos quânticos em supercondutores: descoberta de fenômenos de circulação sem precedentes

Um novo estudo do KTH Royal Institute of Technology e da Universidade de Stanford revisa nossa compreensão dos vórtices quânticos em supercondutores. Na foto, um desenho artístico de vórtices quânticos. Crédito: Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory

Os pesquisadores redefiniram nossa compreensão dos vórtices quânticos em supercondutores, mostrando que eles podem conter fluxo quântico parcial, ao contrário das teorias anteriores. Esta descoberta revolucionária, envolvendo a manipulação de vórtices quânticos, abre novas aplicações potenciais em eletrônica supercondutora e computação.

Dentro dos supercondutores, pequenos tornados de elétrons podem ocorrer, conhecidos como vórtices quânticos, o que tem implicações importantes para aplicações supercondutoras, como sensores quânticos. Um novo tipo de vórtice supercondutor foi encontrado, relata uma equipe internacional de pesquisadores.

Egor Babaev, professor do KTH Royal Institute of Technology em Estocolmo, diz que o estudo revisa a compreensão predominante de como o fluxo eletrônico ocorre em supercondutores, com base no trabalho sobre vórtices quânticos que foi reconhecido em um Prêmio Nobel de 2003. Pesquisadores do KTH, juntamente com Junto com pesquisadores da Universidade de Stanford, do TD Lee Institute em Xangai e do AIST em Tsukuba, eles mostram que o fluxo magnético gerado por vórtices em um supercondutor pode ser dividido em uma faixa de valores mais ampla do que o esperado.

Isso representa uma nova visão sobre os fundamentos da supercondutividade e também pode ser aplicado na eletrônica supercondutora.

O vórtice de fluxo magnético ocorre quando um campo magnético externo é aplicado a um supercondutor. O campo magnético penetra no supercondutor na forma de tubos de fluxo magnético quântico que formam vórtices. Originalmente, diz Babayev, a pesquisa confirmou que os vórtices quânticos passam por supercondutores, cada um carregando um único quantum de fluxo magnético. Mas frações arbitrárias de fluxo quântico não eram uma possibilidade apresentada por teorias anteriores de supercondutividade.

Usando o dispositivo supercondutor de interferência quântica (SQUID) na Universidade de Stanford, os co-autores Yosuke Iguchi e a professora Kathryn A. Mueller mostraram no nível microscópico que os vórtices quânticos podem existir em uma única banda de elétrons. A equipe foi capaz de criar e se mover através desses vórtices quânticos fractais, diz Muller.

“O professor Babaev me disse anos atrás que poderíamos ver algo assim, mas eu não acreditei até que o Dr. Iguchi realmente viu e fez uma série de exames detalhados”, diz ela.

Os pesquisadores de Stanford acharam a observação inicial desse fenômeno “incrivelmente incomum”, diz Iguchi, tanto que repetiram o experimento 75 vezes em diferentes locais e temperaturas.

O trabalho confirma uma previsão publicada por Babayev há 20 anos, que afirmava que em certos tipos de cristais, uma parte de um grupo de elétrons de um material supercondutor pode formar um vórtice no sentido horário, enquanto outros elétrons podem formar um vórtice no sentido horário de uma só vez. “Em combinação, esses furacões quânticos podem transportar uma fração arbitrária da quantidade de fluxo”, diz ele.

“Isso revisa nossa compreensão dos vórtices quânticos em supercondutores”, diz ele.

Mueller confirmou esta conclusão. “Tenho observado vórtices em novos supercondutores há mais de 25 anos e nunca vi nada assim antes”, diz ela.

O poder e a controlabilidade dos vórtices quânticos, diz Babayev, sugerem que os vórtices quânticos podem ser usados ​​como portadores de informações em computadores supercondutores.

“O conhecimento que estamos adquirindo e os maravilhosos métodos apresentados por nossos colegas, Dr. Iguchi e Professor Moller, da Universidade de Stanford, podem ser úteis a longo prazo para certas plataformas de computação quântica”, diz Babayev.

Referência: “Vórtices supercondutores transportando uma porção dependente da temperatura da quantidade de fluxo” por Yosuke Iguchi e Robby A. Mueller, 1º de junho de 2023, disponível aqui. ciências.
DOI: 10.1126/science.abp9979