Físicos da Universidade de Princeton descobriram uma mudança surpreendente no comportamento quântico enquanto faziam experiências com um isolante de três átomos de espessura que pode facilmente ser transformado em um supercondutor.

A pesquisa promete avançar nossa compreensão da física quântica em sólidos em geral, bem como impulsionar o estudo da física quântica da matéria condensada e da supercondutividade em direções potencialmente novas. o resultados Foi publicado na revista Física da natureza Em um artigo intitulado “Criticalidade quântica supercondutora não convencional em monocamada WTe₂“.

Os pesquisadores, liderados por Sanfeng Wu, professor assistente de física na Universidade de Princeton, descobriram que a parada repentina (ou “morte”) das flutuações da mecânica quântica exibe uma série de comportamentos e propriedades quânticas únicas que parecem estar fora do escopo estabelecido. teorias. .

As flutuações são mudanças aleatórias temporárias no estado termodinâmico de uma substância que está prestes a passar por uma transição de fase. Um exemplo familiar de transição de fase é o derretimento do gelo em água. O experimento de Princeton investigou flutuações que ocorrem em um supercondutor em temperaturas próximas do zero absoluto.

“O que descobrimos, ao observar diretamente as flutuações quânticas perto da transição, foi uma evidência clara de uma nova transição de fase quântica que viola as descrições teóricas padrão conhecidas na área”, disse Wu. “Uma vez que entendemos esse fenômeno, acreditamos que há um potencial real para o surgimento de uma teoria nova e excitante.”

Fases quânticas e supercondutividade

No mundo físico, as transições de fase ocorrem quando uma substância como um líquido, gás ou sólido muda de um estado ou forma para outro. Mas as transições de fase também acontecem no nível quântico. Essas mudanças ocorrem em temperaturas próximas do zero absoluto (-273,15°C) e envolvem o ajuste constante de algum fator externo, como pressão ou campo magnético, sem aumentar a temperatura.

Os pesquisadores estão particularmente interessados ​​em como ocorrem as transições de fase quântica em supercondutores, materiais que conduzem eletricidade sem resistência. Os supercondutores podem acelerar o processo de informação e formar a base de poderosos ímãs usados ​​na saúde e no transporte.

“Como uma fase supercondutora pode ser transformada em outra é uma área de estudo interessante”, disse Wu. “Já faz algum tempo que estamos interessados ​​​​neste problema em materiais finos, limpos e monocristalinos.”

A supercondutividade ocorre quando os elétrons se emparelham e fluem em uníssono, sem resistência e sem dissipar energia. Normalmente, os elétrons viajam através de circuitos e fios de maneira irregular, colidindo uns com os outros de uma maneira ineficiente que desperdiça energia. Mas na supercondutividade, os elétrons trabalham em conjunto de forma energeticamente eficiente.

A supercondutividade é conhecida desde 1911, embora como e por que funcionava permanecesse em grande parte um mistério até 1956, quando a mecânica quântica começou a lançar luz sobre o fenômeno. Mas a supercondutividade só foi estudada na última década em materiais bidimensionais limpos, atomicamente finos. Na verdade, a supercondutividade foi considerada impossível em um mundo 2D.

N disse “Isso aconteceu porque quando você vai para dimensões mais baixas, as flutuações tornam-se tão fortes que matam qualquer possibilidade de supercondutividade”, disse Fuan Ong, professor de física na Universidade de Princeton e autor do artigo.

A principal forma pela qual as flutuações destroem a supercondutividade 2D é o aparecimento espontâneo dos chamados vórtices quânticos (plural: vórtices).

Cada vórtice se assemelha a um pequeno vórtice que consiste em uma faixa microscópica de campo magnético presa dentro de um fluxo de elétrons em movimento. Quando a amostra é elevada acima de uma determinada temperatura, os vórtices aparecem espontaneamente aos pares: vórtices e antivórtices. Seu movimento rápido destrói o estado supercondutor.

“O vórtice é como um redemoinho”, disse Ong. “São versões quânticas do vórtice que aparece quando você esvazia uma banheira.”

Os físicos agora sabem que a supercondutividade em filmes ultrafinos na verdade existe abaixo de uma certa temperatura crítica conhecida como transição BKT, em homenagem aos físicos da matéria condensada Vadim Berezinsky, John Kosterlitz e David Thewlis. Os dois últimos dividiram o Prêmio Nobel de Física de 2016 com o físico F. Duncan Haldane, professor de física na Sherman Fairchild University.

A teoria BKT é amplamente vista como uma descrição bem-sucedida de como os vórtices quânticos em supercondutores 2D podem se multiplicar e destruir a supercondutividade. A teoria se aplica quando a transição de supercondutividade é induzida pelo aquecimento da amostra.

Experiência atual

A questão de como destruir a supercondutividade 2D sem aumentar a temperatura é uma área de pesquisa ativa nas áreas de supercondutividade e transições de fase. Em temperaturas próximas do zero absoluto, a comutação quântica ocorre por meio de flutuações quânticas. Neste cenário, a transição é diferente da transição BKT induzida pela temperatura.

Os pesquisadores começaram com um enorme cristal de ditelureto de tungstênio (WTe₂), que é classificado como um semimetal em camadas. Os pesquisadores começaram convertendo o ditelureto de tungstênio em um material 2D, descascando gradativamente o material até formar uma única camada da espessura de um átomo.

Neste nível de espessura, o material comporta-se como um isolante muito forte, o que significa que os seus electrões têm mobilidade limitada e, portanto, não podem conduzir electricidade. Surpreendentemente, os investigadores descobriram que o material apresenta uma série de novos comportamentos quânticos, como a alternância entre fases isolantes e supercondutoras. Eles conseguiram controlar esse comportamento de comutação construindo um dispositivo que funcionava como um botão “liga/desliga”.

Mas este foi apenas o primeiro passo. A seguir, os pesquisadores submeteram o material a duas condições importantes. A primeira coisa que fizeram foi resfriar o ditelureto de tungstênio a temperaturas excepcionalmente baixas, cerca de 50 milikelvin (mK).

Cinquenta milikelvin equivalem a -273,10 graus Celsius (ou -459,58 graus Fahrenheit), uma temperatura incrivelmente baixa onde os efeitos da mecânica quântica dominam.

Os pesquisadores então converteram o material de isolante em supercondutor, introduzindo alguns elétrons extras no material. Não foi preciso muito esforço para atingir o estado supercondutor. “Apenas uma pequena quantidade de tensão na porta pode mudar o material de um isolante para um supercondutor”, disse Tianqing Song, pesquisador de pós-doutorado em física e principal autor do estudo. “Este é um efeito muito legal.”

Os pesquisadores descobriram que poderiam controlar com precisão as propriedades da supercondutividade ajustando a densidade eletrônica no material por meio da tensão da porta. Em uma densidade eletrônica crítica, os vórtices quânticos se multiplicam rapidamente e destroem a supercondutividade, desencadeando uma transição de fase quântica.

Para detectar a presença desses vórtices quânticos, os pesquisadores criaram um pequeno gradiente de temperatura na amostra, tornando um lado do ditelureto de tungstênio ligeiramente mais quente que o outro. “Os redemoinhos estão procurando o limite mais frio”, disse Ong. “Em um gradiente térmico, todos os vórtices da amostra derivam para a parte mais fria, então o que você criou foi um rio de vórtices que flui da parte mais quente para a parte mais fria.”

O fluxo de vórtice gera um sinal de tensão detectável no supercondutor. Isto se deve a um efeito que leva o nome do físico Brian Josephson, ganhador do Prêmio Nobel, cuja teoria prevê que quando uma corrente de redemoinhos cruza uma linha traçada entre dois condutores elétricos, ela gera uma tensão transversal fraca, que pode ser detectada por nanovolts. metro.

“Podemos verificar que este é o efeito Josephson; se você inverter o campo magnético, a tensão detectada se inverte”, disse Ong.

“Esta é uma assinatura muito específica de uma corrente parasita”, acrescentou Wu. “A detecção direta desses vórtices em movimento nos dá uma ferramenta experimental para medir flutuações quânticas em uma amostra, o que é difícil de conseguir de outra forma.”

Fenômenos quânticos incríveis

Assim que os pesquisadores conseguiram medir essas flutuações quânticas, eles descobriram uma série de fenômenos inesperados. A primeira surpresa foi o incrível poder dos vórtices. O experimento mostrou que esses vórtices persistem em temperaturas e campos magnéticos muito superiores ao esperado. Eles sobrevivem a temperaturas e faixas muito mais altas do que a fase supercondutora, a fase resistiva da matéria.

A segunda grande surpresa é que o sinal do vórtice desapareceu repentinamente quando a densidade do elétron foi ajustada abaixo do valor crítico no qual ocorre a transição de fase quântica do estado supercondutor. Neste valor crítico de densidade eletrônica, que os pesquisadores chamam de ponto crítico quântico (QCP), que representa um ponto de temperatura zero no diagrama de fases, as flutuações quânticas impulsionam a transição de fase.

“Esperávamos ver fortes flutuações persistentes abaixo da densidade crítica de elétrons no lado não supercondutor, assim como as fortes flutuações vistas bem acima da temperatura de transição BKT”, disse Wu.

“No entanto, o que descobrimos é que os sinais de vórtice desaparecem ‘de repente’ no momento em que a densidade electrónica crítica é excedida. Isto foi um choque. Não podemos explicar esta observação de forma alguma – a ‘morte súbita’ das flutuações.”

“Em outras palavras, descobrimos um novo tipo de ponto crítico quântico, mas não o entendemos”, acrescentou Ong.

No campo da física da matéria condensada, existem atualmente duas teorias bem estabelecidas que explicam as transições de fase dos supercondutores, a teoria de Ginzburg-Landau e a teoria BKT. No entanto, os pesquisadores descobriram que nenhuma dessas teorias explica os fenômenos observados.

“Precisamos de uma nova teoria para descrever o que acontece neste caso, e isto é algo que esperamos abordar em trabalhos futuros, tanto teórica como experimentalmente”, disse Wu.