Tecnologia Científica

Novo estudo de Princeton leva supercondutividade ao limite
Uma descoberta que hámuito ilude os fa­sicos foi detectada em um laboratório em Princeton. Uma equipe de fa­sicos detectou correntes supercondutoras - o fluxo de elanãtrons sem desperdia§ar energia - ao longo da borda externa de um material superco
Por Catherine Zandonella - 02/05/2020

Imagem cortesia de Stephan Kim, Universidade de Princeton
Pesquisadores de Princeton descobriram correntes supercondutoras que viajam ao longo
das bordas externas de um supercondutor com propriedades topola³gicas, sugerindo uma
rota para a supercondutividade topola³gica que poderia ser útil em futuros computadores
qua¢nticos. A supercondutividade érepresentada pelo centro preto do diagrama, indicando
que não háresistência ao fluxo de corrente. O padrãoirregular indica a oscilação
da supercorrente, que varia com a força de um campo magnético aplicado.

Uma equipe de fa­sicos detectou correntes supercondutoras - o fluxo de elanãtrons sem desperdia§ar energia - ao longo da borda externa de um material supercondutor. A descoberta foi publicada em 1 de maio na revista Science.

O supercondutor que os pesquisadores estudaram também éum semi-metal topola³gico, um material que possui propriedades eletra´nicas incomuns. A descoberta sugere maneiras de desbloquear uma nova era de "supercondutividade topola³gica" que poderia ter valor para a computação qua¢ntica.

"Para nosso conhecimento, esta éa primeira observação de uma supercorrente de borda em qualquer supercondutor", disse Nai Phuan Ong , Eugene Higgins, professor de Fa­sica de Princeton e autor saªnior do estudo. Saiba mais sobre materiais topola³gicos neste  ensaio  de Ong.

"Nossa pergunta motivadora foi: o que acontece quando o interior do material não éum isolante, mas um supercondutor?" Ong disse. "Que novos recursos surgem quando a supercondutividade ocorre em um material topola³gico?"

Embora os supercondutores convencionais já desfrutem de amplo uso em ressonância magnanãtica (RM) e linhas de transmissão de longa distância, novos tipos de supercondutividade podem liberar a capacidade de ir além das limitações de nossas tecnologias familiares.

Pesquisadores de Princeton e de outros lugares tem explorado as conexões entre supercondutividade e isoladores topola³gicos - materiais cujos comportamentos eletra´nicos não conformes foram objeto do Praªmio Nobel de Fa­sica de 2016 por F. Duncan Haldane , professor de física da Universidade Sherman Fairchild de Princeton.

Isoladores topola³gicos são cristais que tem um interior isolante e umasuperfÍcie condutora, como um brownie embrulhado em papel aluma­nio. Na condução de materiais, os elanãtrons podem pular de a¡tomo em a¡tomo, permitindo que a corrente elanãtrica flua. Isoladores são materiais nos quais os elanãtrons estãopresos e não podem se mover. No entanto, curiosamente, os isoladores topola³gicos permitem o movimento de elanãtrons em suasuperfÍcie, mas não em seu interior.

Para explorar a supercondutividade em materiais topola³gicos, os pesquisadores se voltaram para um material cristalino chamado ditellureto de molibdaªnio, que tem propriedades topola³gicas e também éum supercondutor quando a temperatura cai abaixo de um fra­gido 100 milliKelvin, que fica a -459 graus Fahrenheit.

"A maioria dos experimentos realizados atéagora envolveu a tentativa de 'injetar' supercondutividade em materiais topola³gicos, colocando um material pra³ximo do outro", disse Stephan Kim , estudante de engenharia elanãtrica , que conduziu muitos dos experimentos. "O que édiferente em nossa medição éque não injetamos supercondutividade e, no entanto, conseguimos mostrar as assinaturas dos estados de borda".

Um estudante de pós-graduação com equipamento cienta­fico Stephan Kim,
um estudante de graduação do Departamento de Engenharia Elanãtrica,
conduziu experimentos demonstrando supercorrentes
em um material topola³gico.

A equipe primeiro cultivou cristais no laboratório e depois os resfriou a uma temperatura em que ocorre supercondutividade. Eles então aplicaram um campo magnético fraco enquanto mediam o fluxo de corrente atravanãs do cristal. Eles observaram que uma quantidade chamada corrente cra­tica exibe oscilações, que aparecem como um padrãode dente de serra, a  medida que o campo magnético éaumentado.

Tanto a altura das oscilações quanto a frequência das oscilações se encaixam nas previsaµes de como essas flutuações surgem do comportamento qua¢ntico dos elanãtrons confinados a s bordas dos materiais.

"Quando terminamos a análise dos dados da primeira amostra, olhei para a tela do meu computador e não pude acreditar nos meus olhos, as oscilações que observamos eram tão bonitas e misteriosas", disse Wudi Wang, que como primeiro autor liderou o estudo e ganhou seu Ph.D. na física de Princeton em 2019. “a‰ como um quebra-cabea§a que começou a se revelar e estãoesperando para ser resolvido. Mais tarde, quando coletamos mais dados de diferentes amostras, fiquei surpreso com a forma como os dados se encaixam perfeitamente. ”

Os pesquisadores sabem hámuito tempo que a supercondutividade surge quando os elanãtrons, que normalmente se movem aleatoriamente, se ligam em dois para formar pares de Cooper, que de certa forma dançam ao mesmo ritmo. "Uma analogia aproximada éde um bilha£o de casais executando a mesma coreografia de dança com roteiro", disse Ong.

O script que os elanãtrons seguem échamado de função de onda do supercondutor, que pode ser considerada mais ou menos como uma fita esticada ao longo do comprimento do fio supercondutor, disse Ong. Uma ligeira torção da função de onda obriga todos os pares de Cooper em um fio longo a se moverem com a mesma velocidade de um "superfluido" - em outras palavras, agindo como uma única coleção e não comopartículas individuais - que flui sem produzir aquecimento.

Se não houver torções ao longo da faixa, disse Ong, os pares de Cooper são estaciona¡rios e não háfluxos de corrente. Se os pesquisadores expaµem o supercondutor a um campo magnético fraco, isso adiciona uma contribuição adicional a  torção que os pesquisadores chamam de fluxo magnanãtico, que, parapartículas muito pequenas, como elanãtrons, segue as regras da meca¢nica qua¢ntica.

Os pesquisadores anteciparam que esses dois contribuidores para o número de voltas, a velocidade superfluida e o fluxo magnanãtico, trabalham juntos para manter o número de voltas como um número inteiro exato, um número inteiro como 2, 3 ou 4 em vez de 3,2 ou 3.7 Eles previram que, a  medida que o fluxo magnético aumenta suavemente, a velocidade do superfluido aumentaria em um padrãode dente de serra, a  medida que a velocidade do superfluido se ajusta para cancelar o 0,2 extra ou adicionar 0,3 para obter um número exato de torções.

Wudi Wang, o primeiro autor do estudo, liderou o estudo e conduziu muitas das
experiências. Ele ganhou seu Ph.D. em física de Princeton em 2019.

A equipe mediu a corrente superfluida a  medida que variava o fluxo magnético e descobriu que, de fato, o padrãode dente de serra era visível.

No ditelureto de molibdaªnio e em outros chamados semimetais de Weyl, esse emparelhamento Cooper de elanãtrons a granel parece induzir um emparelhamento semelhante nas bordas.

Os pesquisadores observaram que a razãopela qual a supercorrente de borda permanece independente da supercorrente em massa atualmente não bem conhecida. Ong comparou os elanãtrons que se movem coletivamente, também chamados de condensados, com poa§as de la­quido.

"A partir das expectativas cla¡ssicas, seria de esperar que duas poa§as fluidas que estãoem contato direto se fundissem em uma", disse Ong. "No entanto, o experimento mostra que as condensações das bordas permanecem distintas daquelas na maior parte do cristal."

A equipe de pesquisa especula que o mecanismo que impede a mistura dos dois condensados ​​éa proteção topola³gica herdada dos estados das bordas protegidas no ditellureto de molibdaªnio. O grupo espera aplicar a mesma técnica experimental para procurar supercorrentes de borda em outros supercondutores não convencionais.

"Provavelmente existem dezenas deles por aa­", disse Ong. 

Financiamento: A pesquisa foi apoiada pelo Escrita³rio de Pesquisa do Exanãrcito dos EUA (W911NF-16-1-0116). As experiências de diluição em refrigerador foram apoiadas pelo Departamento de Energia dos EUA (DE-SC0017863). A NPO e a RJC reconhecem o apoio dos Fena´menos Emergentes da Fundação Gordon e Betty Moore na Iniciativa de Sistemas Qua¢nticos atravanãs das doações GBMF4539 (NPO) e GBMF-4412 (RJC). O crescimento e a caracterização dos cristais foram realizados pelo FAC e RJC, com o apoio da National Science Foundation (NSF MRSEC concede DMR 1420541).

O estudo, "Evidaªncia de uma supercorrente de borda no supercondutor Weyl MoTe2", de Wudi Wang, Stephan Kim, Minhao Liu, FA Cevallos, Robert. J. Cava e Nai Phuan Ong, foram publicados na revista Science em 1 de maio de 2020. 10.1126 / science.aaw9270

 

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