Tecnologia Científica
A primeira caracterização abrangente da supercondutividade não convencional decorrente de momentos multipolares
A supercondutividade é um fenômeno quântico, observado em alguns materiais, que envolve a capacidade de conduzir eletricidade sem resistência abaixo de uma temperatura crítica.
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Ingrid Fadelli - 29/03/2025
Um novo supercondutor impulsionado unicamente por momentos quadrupolares de alta ordem. Crédito: Mingxuan Fu
A supercondutividade é um fenômeno quântico, observado em alguns materiais, que envolve a capacidade de conduzir eletricidade sem resistência abaixo de uma temperatura crítica. Nos últimos anos, físicos e cientistas de materiais têm tentado identificar materiais que exibem essa propriedade (ou seja, supercondutores), ao mesmo tempo em que reúnem novos insights sobre seus processos físicos subjacentes.
Supercondutores podem ser amplamente divididos em duas categorias: supercondutores convencionais e não convencionais. Em supercondutores convencionais, pares de elétrons (ou seja, pares de Cooper) se formam devido a interações mediadas por fônons, resultando em uma lacuna supercondutora que segue uma simetria de onda s isotrópica. Por outro lado, em supercondutores não convencionais , essa lacuna pode apresentar nós (ou seja, pontos nos quais a lacuna supercondutora desaparece), produzindo uma simetria de onda d ou multi-lacuna.
Pesquisadores da Universidade de Tóquio recentemente realizaram um estudo visando entender melhor a supercondutividade não convencional observada anteriormente em um composto intermetálico de terras raras, chamado PrTi 2 Al 20 , que é conhecido por surgir de um estado multipolar ordenado. Suas descobertas, publicadas na Nature Communications , sugerem que há uma conexão entre interações quadrupolares e supercondutividade neste material.
"Sob o microscópio de materiais quânticos, o bloco de construção básico é o elétron, que tem spin de carga microscópica e graus de liberdade orbitais", disse Mingxuan Fu, coautor do artigo,. "Quando elétrons são compactados em números enormes em um material, seus vários graus de liberdade podem interagir de maneiras intrincadas e fascinantes, criando uma paisagem incrivelmente diversa de propriedades governadas pela mecânica quântica . Entre elas, a mais exemplificada é a supercondutividade não convencional."
Embora muitos estudos anteriores tenham tentado descobrir as origens da supercondutividade não convencional, sua força motriz subjacente continua mal compreendida. Uma resposta conclusiva a essa questão de pesquisa de longa data pode abrir novas possibilidades para o avanço adicional das tecnologias quânticas.
"Tradicionalmente, o campo se concentrava fortemente em entender o papel dos spins de elétrons na geração e modelagem da supercondutividade não convencional", disse Satoru Nakatsuji, o autor correspondente do artigo. "No entanto, conforme a pesquisa avança, fica claro que esse quebra-cabeça é muito mais rico e complexo do que pensávamos inicialmente. Outros ingredientes, como orbital e carga, também podem desempenhar um papel vital, e seu envolvimento pode abrir novas possibilidades para uma nova supercondutividade."
Com base em seus esforços de pesquisa anteriores, Fu, Nakatsuji e seus colegas se propuseram a projetar um novo supercondutor, apresentando uma supercondutividade emergindo de algo diferente da dinâmica do spin do elétron. Especificamente, eles esperavam determinar se a supercondutividade também poderia ser produzida alavancando momentos multipolares de alta ordem, sem spins de elétrons.
"Neste trabalho, nos concentramos em explorar uma fase quântica única onde a supercondutividade emerge de uma ordem ferroquadrupolar pura — quadrupolos de alta ordem se alinham uniformemente em uma matriz ordenada em todo o material, semelhante a como os spins se alinham em um estado ferromagnético, mas neste caso, a ordenação envolve apenas quadrupolos sem nenhum spin", disse Akito Sakai, principal autor do artigo.
"Nossos objetivos eram entender como a ordem ferroquadrupolar se relaciona com o surgimento da supercondutividade e como ela influencia a maneira como os pares de elétrons se formam e interagem no estado supercondutor."
O novo supercondutor examinado como parte deste estudo, a saber, PrTi 2 Al 20 , foi projetado anteriormente pelos pesquisadores. Quando este material está em seu estado de energia mais baixo, que é o estado em que os efeitos quânticos dominam, os momentos quadrupolares e octopolares de alta ordem estão ativos, enquanto os momentos dipolares magnéticos (ou seja, spins) estão ausentes.
"Esse recurso fornece uma vantagem incomparável na investigação da supercondutividade impulsionada por momentos multipolares", explicou Nakatsuji. "Trabalhar nesse material traz imenso prazer intelectual, pois é muito raro encontrar uma plataforma de modelo tão limpa para estudar física multipolar."
Detectar e estudar fenômenos físicos multipolares é tipicamente muito desafiador. Isso ocorre principalmente porque, ao contrário dos efeitos spin-driven, que podem ser facilmente observados usando sondas experimentais amplamente disponíveis, esses fenômenos são frequentemente muito mais difíceis de serem detectados.
"Não houve um método único e decisivo para estudar fenômenos multipolares", disse Nakatsuji. "É por isso que em nosso estudo, empregamos várias técnicas experimentais, desde capacidade térmica e magnetização DC até resistividade. Também exploramos como as fases ferroquadrupolar e supercondutora evoluíram com dopagem química. Alguns desses experimentos são incrivelmente desafiadores, pois precisamos atingir o regime de temperatura ultrabaixa (até cerca de -273 °C)."
Usando um conjunto de técnicas cuidadosamente selecionadas, os pesquisadores conseguiram abordar esse problema de diferentes ângulos, criando, por fim, um quadro geral coerente do que impulsiona a supercondutividade em PrTi 2 Al 20. Seu artigo foi o primeiro a fornecer uma caracterização abrangente da supercondutividade não convencional decorrente de momentos multipolares.
"O comportamento supercondutor que observamos não é de forma alguma similar à supercondutividade convencional explicada pela teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) do livro didático", explicou Sakai. "Tais distinções da supercondutividade BCS derivam de uma nova simetria de pareamento — um padrão incomum no qual pares de elétrons interagem nos estados supercondutores."
No geral, os pesquisadores mostraram que a evolução da supercondutividade impulsionada pela dopagem química é notavelmente diferente daquela que emerge das flutuações de spin. Este estudo pode em breve abrir caminho para mais pesquisas com foco neste tipo específico de supercondutividade, o que pode ajudar a validar os resultados da equipe e, eventualmente, contribuir para o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas.
"Por meio da dependência de dopagem química, descobrimos que a ordem ferroquadrupolar e a simetria do par supercondutor estão intimamente ligadas, oferecendo novos insights sobre como a supercondutividade e a ordem multipolar dançam juntas e se influenciam mutuamente", disse Fu. "Este trabalho nos motivou muito a nos aprofundar no reino inexplorado das fases e propriedades quânticas induzidas por multipolos, identificando suas principais diferenças em relação às contrapartes impulsionadas por spin, como novos tipos de metais estranhos ou criticidade quântica."
Ao investigar mais profundamente os estados quânticos induzidos por multipolos, os pesquisadores esperam eventualmente elaborar uma nova estrutura teórica que descreva melhor esses fenômenos e sua física subjacente, potencialmente abrindo um novo caminho em direção à supercondutividade de alta temperatura. Notavelmente, os multipolos se tornaram o foco de um número crescente de estudos, e os esforços desta equipe de pesquisa podem desempenhar um papel fundamental em sua futura aplicação prática.
"O conceito de multipolos ganhou terreno sólido na pesquisa de materiais quânticos, e seu espectro de influência tem se expandido rapidamente nos últimos anos, por exemplo, na compreensão das funcionalidades de antiferromagnetos topológicos", acrescentou Nakatsuji.
"A investigação experimental de fenômenos quânticos conduzidos por multipolos atômicos como uma entidade física nos dá um guia poderoso e inspirador. Este guia pode nos levar longe no aproveitamento das propriedades quânticas únicas dos multipolos, conduzindo novas descobertas científicas e aplicações inovadoras que vão além do paradigma tradicional dominado pelo spin."
Mais informações: Akito Sakai et al, Interação entre ordem multipolar e supercondutividade induzida por multipolo em PrTi 2 Al 20 , Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57262-2
Informações do periódico: Nature Communications
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