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Mapeando os estados eletrônicos em um supercondutor exótico
Os cientistas caracterizaram como os estados eletrônicos em um composto contendo ferro, telúrio e selênio dependem das concentrações químicas locais
Por Laboratório Nacional de Brookhaven - 28/04/2021


(Esquerda) Por meio de experimentos de espalhamento de nêutrons, os cientistas observaram padrões distintos de correlações magnéticas em amostras supercondutoras ("magnetismo de faixa única") e não supercondutoras ("magnetismo de faixa dupla") de um composto contendo ferro (Fe), telúrio (Te), e selênio (Se). (À direita) Um diagrama de fase do material mostrando onde o estado supercondutor (SC), o estado não supercondutor (NSC) e o estado supercondutor topológico (SC + TSS) aparecem como uma função das concentrações de Fe e Te. O A com estrela refere-se à amostra não supercondutora e o B com estrela à amostra supercondutora. Sobrepostos no diagrama de fase estão espectros de fotoemissão mostrando a emergência (esquerda) e ausência (direita) do estado topológico. A supercondutividade topológica é um estado eletrônico que poderia ser aproveitado para uma computação quântica mais robusta. Crédito: Laboratório Nacional de Brookhaven

Os cientistas caracterizaram como os estados eletrônicos em um composto contendo ferro, telúrio e selênio dependem das concentrações químicas locais. Eles descobriram que a supercondutividade (condução de eletricidade sem resistência), junto com correlações magnéticas distintas, aparece quando a concentração local de ferro é suficientemente baixa; um estado eletrônico coexistente existindo apenas na superfície (estado superficial topológico) surge quando a concentração de telúrio é suficientemente alta. Reportado na Nature Materials, suas descobertas apontam para a faixa de composição necessária para a supercondutividade topológica. A supercondutividade topológica pode permitir uma computação quântica mais robusta, que promete fornecer aumentos exponenciais no poder de processamento.

"A computação quântica ainda está em sua infância e um dos principais desafios é reduzir a taxa de erro dos cálculos", disse o primeiro autor Yangmu Li, um pós-doutorado no Grupo de Espalhamento de Nêutrons da Divisão de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais (CMPMS) no Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE). "Os erros surgem quando os qubits, ou bits de informação quântica, interagem com seu ambiente. No entanto, ao contrário dos íons presos ou qubits de estado sólido, como defeitos pontuais no diamante, os qubits supercondutores topológicos são intrinsecamente protegidos de parte do ruído. Portanto, eles poderiam suportar computação menos sujeita a erros. A questão é: onde podemos encontrar a supercondutividade topológica?

Neste estudo, os cientistas estreitaram a busca em um composto conhecido por hospedar estados de superfície topológicos e parte da família de supercondutores à base de ferro. Neste composto, os estados topológicos e supercondutores não são distribuídos uniformemente pela superfície. Entender o que está por trás dessas variações nos estados eletrônicos e como controlá-los é a chave para habilitar aplicações práticas como a computação quântica protegida topologicamente.

Com base em pesquisas anteriores, a equipe sabia que modificar a quantidade de ferro poderia mudar o material de um estado supercondutor para um não supercondutor. Para este estudo, o físico Gendu Gu, da Divisão CMPMS, cultivou dois tipos de cristais únicos grandes, um com um pouco mais de ferro em relação ao outro. A amostra com o maior teor de ferro não é supercondutora; a outra amostra é supercondutora.

Para entender se o arranjo de elétrons na maior parte do material variava entre as amostras supercondutoras e não supercondutoras, a equipe passou a usar o espalhamento de nêutrons com polarização de spin. A Spallation Neutron Source (SNS), localizada no Oak Ridge National Laboratory do DOE, é o lar de um instrumento único para realizar essa técnica.

"O espalhamento de nêutrons pode nos dizer os momentos magnéticos, ou spins, dos elétrons e a estrutura atômica de um material", explicou o autor correspondente, Igor Zaliznyak, físico do Grupo de Dispersão de Nêutrons da Divisão CMPMS que liderou a equipe de Brookhaven que ajudou a projetar e instalar o instrumento com colaboradores em Oak Ridge. "Para isolar as propriedades magnéticas dos elétrons, polarizamos os nêutrons usando um espelho que reflete apenas uma direção de rotação específica."
 
Para sua surpresa, os cientistas observaram padrões drasticamente diferentes de momentos magnéticos de elétrons nas duas amostras. Portanto, a ligeira alteração na quantidade de ferro causou uma mudança no estado eletrônico.

"Depois de ver essa mudança dramática, concluímos que deveríamos olhar para a distribuição dos estados eletrônicos em função da composição química local", disse Zaliznyak.

No Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) de Brookhaven, Li, com o apoio dos membros da equipe do CFN Fernando Camino e Gwen Wright, determinou a composição química em pedaços menores representativos de ambos os tipos de amostra por meio de espectroscopia de raios-X de dispersão de energia. Nessa técnica, uma amostra é bombardeada com elétrons, e os raios X emitidos característicos de diferentes elementos são detectados. Eles também mediram a resistência elétrica local - que indica quão coerentemente os elétrons podem transportar carga - com sondas elétricas em microescala. Para cada cristal, Li definiu uma pequena grade quadrada (100 por 100 mícrons). No total, a equipe mapeou a composição local e resistência em mais de 2.000 locais diferentes.

"Por meio dos experimentos no CFN, caracterizamos a química e as propriedades gerais de condução dos elétrons", disse Zaliznyak. "Mas também precisamos caracterizar as propriedades eletrônicas microscópicas, ou como os elétrons se propagam no material, seja na massa ou na superfície. A supercondutividade induzida na propagação de elétrons na superfície pode hospedar objetos topológicos chamados modos de Majorana, que em teoria são um das melhores maneiras de realizar cálculos quânticos. Informações sobre propriedades eletrônicas de massa e de superfície podem ser obtidas por meio de espectroscopia de fotoemissão. "

Para os experimentos de espectroscopia de fotoemissão , Zaliznyak e Li entraram em contato com Peter Johnson, líder do Grupo de Espectroscopia Eletrônica da Divisão CMPMS, e Nader Zaki, um associado científico do grupo de Johnson. Ao medir a energia e o momento dos elétrons ejetados das amostras (usando a mesma grade espacial) em resposta à luz, eles quantificaram a intensidade dos estados eletrônicos que se propagam na superfície, em massa, e formam o estado supercondutor. Eles ajustam quantitativamente os espectros de fotoemissão a um modelo que caracteriza as intensidades desses estados.

Em seguida, a equipe mapeou as forças do estado eletrônico em função da composição local, essencialmente construindo um diagrama de fases .

"Este diagrama de fase inclui as transições de fase supercondutora e topológica e aponta para onde poderíamos encontrar uma composição química útil para materiais de computação quântica", disse Li. "Para certas composições, não existem estados eletrônicos coerentes para desenvolver a supercondutividade topológica. Em estudos anteriores, as pessoas pensavam que a falha do instrumento ou o erro de medição eram o motivo de não estarem vendo as características da supercondutividade topológica. Aqui mostramos que isso se deve aos próprios estados eletrônicos. "

“Quando o material está próximo da transição entre o estado topológico e não-topológico, você pode esperar flutuações”, acrescentou Zaliznyak. "Para que a topologia surja, os estados eletrônicos precisam ser bem desenvolvidos e coerentes. Então, do ponto de vista tecnológico, precisamos sintetizar materiais fora da linha de transição."

Em seguida, os cientistas irão expandir o diagrama de fase para explorar a faixa composicional na direção topológica, focando em amostras com menos selênio e mais telúrio. Eles também estão considerando a aplicação de espalhamento de nêutrons para entender uma lacuna de energia inesperada (uma faixa de energia onde não são permitidos elétrons) abrindo no estado de superfície topológica do mesmo composto. O grupo de Johnson descobriu recentemente esta lacuna e formulou a hipótese de que era causada pelo magnetismo de superfície.

 

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