Tecnologia Científica

Pesquisadores identificam novo tipo de supercondutor
Os pesquisadores da Cornell - liderados por Brad Ramshaw, o professor assistente Dick & Dale Reis Johnson no College of Arts and Sciences - descobriram um terceiro tipo possível: a onda g.
Por David Nutt - 21/08/2020


Esta ilustração mostra uma rede cristalina de rutenato de estrôncio respondendo a várias ondas sonoras enviadas por espectroscopia de ultrassom ressonante conforme o material esfria por meio de sua transição supercondutora a 1,4 kelvin (menos 457 graus Fahrenheit). A deformação destacada sugere que o material pode ser um novo tipo de supercondutor. Crédito: Cornell University

Até agora, a história dos materiais supercondutores tem sido um conto de dois tipos: onda s e onda d.

Agora, os pesquisadores da Cornell - liderados por Brad Ramshaw, o professor assistente Dick & Dale Reis Johnson no College of Arts and Sciences - descobriram um terceiro tipo possível: a onda g.

Seu artigo, "Evidência termodinâmica para um parâmetro de ordem de dois componentes supercondutores em Sr 2 RuO 4 ", publicado em 21 de setembro na Nature Physics . O autor principal é o estudante de doutorado Sayak Ghosh, MS '19.

Os elétrons em supercondutores se movem juntos no que são conhecidos como pares de Cooper. Esse "emparelhamento" confere aos supercondutores sua propriedade mais famosa - nenhuma resistência elétrica - porque, para gerar resistência, os pares de Cooper precisam ser separados, e isso consome energia.

Em supercondutores de onda S - geralmente materiais convencionais , como chumbo, estanho e mercúrio - os pares de Cooper são feitos de um elétron apontando para cima e outro apontando para baixo, ambos se movendo de frente um para o outro, sem nenhum momento angular líquido. Nas últimas décadas, uma nova classe de materiais exóticos exibiu o que é chamado de supercondutividade de onda d, em que os pares de Cooper têm dois quanta de momento angular.

Os físicos teorizaram a existência de um terceiro tipo de supercondutor entre esses dois estados chamados de "singlete": um supercondutor de onda p, com um quanta de momento angular e os elétrons emparelhando com spins paralelos em vez de antiparalelos. Este supercondutor de spin-tripleto seria um grande avanço para a computação quântica, pois pode ser usado para criar férmions de Majorana, uma partícula única que é sua própria antipartícula.

Por mais de 20 anos, um dos principais candidatos a um supercondutor de onda p foi o rutenato de estrôncio (Sr2RuO4), embora pesquisas recentes tenham começado a abrir buracos na ideia.

Ramshaw e sua equipe decidiram determinar de uma vez por todas se o rutenato de estrôncio é um supercondutor de onda p altamente desejado. Usando espectroscopia de ultrassom ressonante de alta resolução, eles descobriram que o material é potencialmente um tipo inteiramente novo de supercondutor: onda g.

"Este experimento realmente mostra a possibilidade desse novo tipo de supercondutor que nunca havíamos pensado antes", disse Ramshaw. "Isso realmente abre o espaço de possibilidades para o que um supercondutor pode ser e como ele pode se manifestar. Se algum dia conseguirmos controlar o controle de supercondutores e usá-los em tecnologia com o tipo de controle ajustado que temos com semicondutores, realmente queremos saber como eles funcionam e em quais variedades e sabores eles vêm. "
 
Como em projetos anteriores , Ramshaw e Ghosh usaram espectroscopia de ultrassom ressonante para estudar as propriedades de simetria da supercondutividade em um cristal de rutenato de estrôncio que foi cultivado e cortado com precisão por colaboradores do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos na Alemanha.

No entanto, ao contrário das tentativas anteriores, Ramshaw e Ghosh encontraram um problema significativo ao tentar conduzir o experimento.

"Resfriar o ultrassom ressonante para 1 kelvin (menos 457,87 graus Fahrenheit) é difícil, e tivemos que construir um aparelho completamente novo para conseguir isso", disse Ghosh.

Com sua nova configuração, a equipe Cornell mediu a resposta das constantes elásticas do cristal - essencialmente a velocidade do som no material - a uma variedade de ondas sonoras conforme o material resfriava através de sua transição supercondutora a 1,4 kelvin (menos 457 graus Fahrenheit).

"Este é de longe os dados de espectroscopia de ultrassom ressonante de mais alta precisão já obtidos a essas baixas temperaturas", disse Ramshaw.

Com base nos dados, eles determinaram que o rutenato de estrôncio é o que chamamos de supercondutor de dois componentes, o que significa que a forma como os elétrons se ligam é tão complexa que não pode ser descrita por um único número; ele também precisa de uma direção.

Estudos anteriores usaram espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) para estreitar as possibilidades de que tipo de material de onda o rutenato de estrôncio poderia ser, eliminando efetivamente a onda p como uma opção.

Ao determinar que o material era de dois componentes, a equipe de Ramshaw não apenas confirmou essas descobertas, mas também mostrou que o rutenato de estrôncio também não era um supercondutor de onda s ou d convencional.

"O ultrassom ressonante realmente permite que você entre e mesmo que você não consiga identificar todos os detalhes microscópicos, você pode fazer declarações gerais sobre quais estão descartados", disse Ramshaw. "Então, as únicas coisas com as quais os experimentos são consistentes são essas coisas muito, muito estranhas que ninguém nunca viu antes. Uma das quais é a onda G, que significa momento angular 4. Ninguém nunca pensou que haveria um supercondutor de onda g. "

Agora os pesquisadores podem usar a técnica para examinar outros materiais e descobrir se eles são candidatos potenciais à onda p.

No entanto, o trabalho com o rutenato de estrôncio não está concluído.

"Este material é extremamente bem estudado em muitos contextos diferentes, não apenas por sua supercondutividade", disse Ramshaw. "Nós entendemos que tipo de metal é, por que é um metal, como se comporta quando você muda a temperatura, como se comporta quando você muda o campo magnético. Portanto, você deve ser capaz de construir uma teoria de por que ele se torna um supercondutor melhor aqui do que em qualquer outro lugar. "

 

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