Os físicos de Princeton descobriram uma mudança abrupta no comportamento quântico enquanto faziam experiências com um isolador de três átomos de espessura que pode ser facilmente transformado em um supercondutor.

A pesquisa promete melhorar nossa compreensão da física quântica em sólidos em geral e também impulsionar o estudo da física quântica da matéria condensada e da supercondutividade em direções potencialmente novas. Os resultados foram publicados recentemente na revista científica Nature Physics.

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

As flutuações são mudanças aleatórias temporárias no estado termodinâmico de um material 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 desobedece às descrições teóricas padrão conhecidas na área”, disse Wu. “Uma vez que entendemos esse fenômeno, pensamos que existe uma possibilidade real de surgir uma nova e excitante teoria.”

No mundo físico, as transições de fase ocorrem quando um material como um líquido, gás ou sólido muda de um estado ou forma para outro. Mas as transições de fase também ocorrem no nível quântico. Estes ocorrem em temperaturas próximas do zero absoluto (-273,15 graus Celsius) e envolvem o ajuste contínuo de algum parâmetro 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 alterada para outra fase é uma área de estudo intrigante”, disse Wu. “E já faz algum tempo que estamos interessados neste problema em materiais atomicamente 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 errática, empurrando-se uns aos outros de uma maneira que é, em última análise, ineficiente e desperdiça energia. Mas no estado supercondutor, os elétrons agem em conjunto de uma forma que é 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 foi apenas na última década que a supercondutividade foi estudada em materiais bidimensionais limpos e atomicamente finos. Na verdade, durante muito tempo acreditou-se que a supercondutividade era impossível num mundo bidimensional.

“Isto aconteceu porque, à medida que se vai para dimensões mais baixas, as flutuações tornam-se tão fortes que ‘matam’ qualquer possibilidade de supercondutividade,” disse Nai Phuan Ong, Eugene Higgins Professor de Física na Universidade de Princeton e autor do artigo. 

A principal maneira pela qual as flutuações destroem a supercondutividade bidimensional é pelo surgimento espontâneo do que é chamado de vórtice quântico. Cada vórtice se assemelha a um pequeno redemoinho composto por um fio microscópico de campo magnético preso dentro de uma corrente de elétrons em turbilhão. Quando a amostra é elevada acima de uma determinada temperatura, os vórtices aparecem espontaneamente aos pares: vórtices e anti-vórtices. Seu movimento rápido destrói o estado supercondutor. “Um vórtice é como um redemoinho”, disse Ong. “São versões quânticas do redemoinho visto quando você esvazia uma banheira.”

Os físicos sabem agora que a supercondutividade em filmes ultrafinos existe abaixo de uma certa temperatura crítica conhecida como transição BKT, em homenagem aos físicos da matéria condensada Vadim Berezinskii, John Kosterlitz e David Thouless. Os dois últimos dividiram o Prêmio Nobel de Física em 2016 com o físico de Princeton F. Duncan Haldane, professor de física da Sherman Fairchild University. A teoria BKT é amplamente considerada uma descrição bem-sucedida de como os vórtices quânticos proliferam em supercondutores bidimensionais e destroem a supercondutividade. A teoria se aplica quando a transição supercondutora é induzida pelo aquecimento da amostra. 

A questão de como a supercondutividade bidimensional pode ser destruída sem aumentar a temperatura é uma área ativa de pesquisa nas áreas de supercondutividade e transições de fase. Em temperaturas próximas do zero absoluto, uma transição quântica é induzida por flutuações quânticas. Neste cenário, a transição é distinta da transição BKT impulsionada pela temperatura.

Os pesquisadores começaram com um cristal volumoso de ditelureto de tungstênio (WTe 2), que é classificado como um semimetal em camadas. Os pesquisadores começaram convertendo o ditelureto de tungstênio em um material bidimensional, esfoliando cada vez mais, ou descascando, 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 elétrons têm movimento limitado e, portanto, não podem conduzir eletricidade. Surpreendentemente, os investigadores descobriram que o material apresenta uma série de novos comportamentos quânticos, como a alternância entre fases isolantes e supercondutoras. Eles foram capazes de controlar esse comportamento de comutação construindo um dispositivo que funciona como um botão “liga e desliga”.

Mas este foi apenas o primeiro passo. Em seguida, 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 milikelvins equivalem a -273,10 graus Celsius (ou -459,58 graus Fahrenheit), uma temperatura incrivelmente baixa na qual os efeitos da mecânica quântica são dominantes.

Os pesquisadores então converteram o material de isolante em supercondutor, introduzindo alguns elétrons extras no material. Não foi necessária muita voltagem para atingir o estado supercondutor. “Apenas uma pequena quantidade de tensão na porta pode mudar o material de um isolante para um supercondutor”, disse Tiancheng Song, pesquisador de pós-doutorado em física e principal autor do artigo. “Este é realmente um efeito notável.”

Os pesquisadores descobriram que poderiam controlar com precisão as propriedades da supercondutividade ajustando a densidade dos elétrons no material por meio da tensão da porta. Em uma densidade eletrônica crítica, os vórtices quânticos proliferam rapidamente e destroem a supercondutividade, provocando a ocorrência da 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 vórtices procuram a borda mais fria”, disse Ong. “No gradiente de temperatura, todos os vórtices da amostra derivam para a parte mais fria, então o que você criou foi um rio de vórtices fluindo da parte mais quente para a parte mais fria.”

O fluxo de vórtices gera um sinal de tensão detectável em um supercondutor. Isto se deve a um efeito que leva o nome do físico Brian Josephson, ganhador do Prêmio Nobel, cuja teoria prevê que sempre que um fluxo de vórtices cruza uma linha traçada entre dois contatos elétricos, eles geram uma tensão transversal fraca, que pode ser detectada por um nanovolt. metro.

“Podemos verificar que 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 na amostra, o que de outra forma seria difícil de conseguir.”

Assim que os autores conseguiram medir essas flutuações quânticas, descobriram uma série de fenômenos inesperados. A primeira surpresa foi a notável robustez dos vórtices. A experiência demonstrou que estes vórtices persistem a temperaturas e campos magnéticos muito mais elevados do que o esperado. Eles sobrevivem a temperaturas e campos bem acima da fase supercondutora, na fase resistiva do material.

Uma segunda grande surpresa é que o sinal do vórtice desapareceu abruptamente quando a densidade do elétron foi ajustada logo 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 à temperatura zero em um diagrama de fases, as flutuações quânticas impulsionam a transição de fase.

“Esperávamos ver fortes flutuações persistirem 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 foi que os sinais de vórtice desaparecem 'de repente' no momento em que a densidade crítica de elétrons é ultrapassada. E isso foi um choque. Não podemos explicar de forma alguma esta observação – a ‘morte súbita’ das flutuações.”

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

No campo da física da matéria condensada, existem atualmente duas teorias estabelecidas que explicam as transições de fase de um supercondutor, 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 está acontecendo neste caso”, disse Wu, “e isso é algo que esperamos abordar em trabalhos futuros, tanto teórica quanto experimentalmente”.