Cientistas no Japão descobriram que pequenos degraus com apenas um átomo de altura podem agir como trilhos de trem microscópicos, guiando o movimento de vórtices quânticos dentro de um supercondutor ultrafino. Sob certas condições, estes vórtices moviam-se 1.000 vezes mais facilmente do que através de escadas. Os pesquisadores também descobriram que poderiam ajustar esse efeito notável simplesmente alterando a temperatura ou o campo magnético.
A descoberta foi feita por pesquisadores do Centro de Pesquisa em Nanoarquitetura de Materiais (MANA), parte do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão (NIMS). Suas descobertas fornecem uma nova abordagem promissora para controlar o comportamento quântico e podem, em última análise, ajudar os engenheiros a desenvolver eletrônicos supercondutores que usam muito menos energia enquanto processam informações de forma mais eficiente.
Por que controlar vórtices quânticos é importante
Supercondutores são materiais incomuns que podem conduzir eletricidade sem resistência elétrica quando resfriados abaixo de uma temperatura crítica. Esta propriedade os torna atraentes para o desenvolvimento de eletrônicos altamente eficientes em termos energéticos e outras tecnologias avançadas.
No entanto, os supercondutores também contêm pequenas estruturas quânticas conhecidas como vórtices. Estes criam locais onde os campos magnéticos penetram no material, criando pequenas regiões rodeadas por correntes elétricas circulantes. Quando os vórtices se movem, podem gerar resistência elétrica e afetar o desempenho do supercondutor.
Portanto, ser capaz de controlar para onde esses vórtices viajam poderia ajudar os cientistas a melhorar os dispositivos supercondutores. Até agora, direcionar seu movimento em supercondutores bidimensionais extremamente finos tem sido particularmente difícil.
Para investigar este desafio, uma equipe liderada por Takashi Uchihashi da MANA estudou um supercondutor ultrafino cuja superfície consistia em uma série de etapas atômicas regularmente espaçadas. Usando microscopia de varredura por tunelamento, técnica capaz de gerar imagens de superfícies em nível atômico, os pesquisadores confirmaram que as fases se movem paralelamente entre si e observaram vórtices localizados diretamente ao longo delas.
As descobertas foram publicadas na revista Revisão Física B.
Etapas atômicas agem como trilhos para o movimento quântico
Os experimentos revelaram diferenças notáveis na facilidade com que os vórtices podem girar dependendo de sua direção.
Usando medições de resistência de quatro terminais, que permitem aos pesquisadores medir com precisão a resistência elétrica, a equipe descobriu que os vórtices viajam até 1.000 vezes mais facilmente ao longo das fases atômicas quando expostos a campos magnéticos intermediários.
Na verdade, as etapas funcionavam como pequenos trilhos, criando caminhos preferenciais para os vórtices quânticos seguirem.
“Nosso estudo mostra que etapas em escala atômica podem atuar como trilhos eficazes que guiam vórtices supercondutores, e esse efeito de orientação pode ser ajustado simplesmente alterando a temperatura ou o campo magnético”, disse Uchihashi.
Os investigadores também identificaram um comportamento particularmente interessante quando o campo magnético variava entre cerca de 0,10 e 0,20 T (Tesla, a unidade usada para medir a intensidade do campo magnético). Dentro desta faixa, os vórtices podem fluir livremente ao longo da escada sem serem aprisionados por imperfeições do material.
Este comportamento, conhecido como fluxo de vórtice unidimensional sem fixação, significa que os vórtices podem viajar ao longo de um caminho definido sem encontrar os obstáculos usuais que restringem seu movimento.
Nas temperaturas mais baixas, os pesquisadores observaram outro efeito incomum. O movimento do vórtice foi controlado pelo tunelamento quântico, um fenômeno no qual objetos quânticos podem passar através de barreiras de energia que normalmente impedem seu movimento na física clássica.
Um novo caminho para supercondutores mais eficientes
As descobertas mostram que mesmo uma superfície com apenas um átomo de altura pode ter um efeito poderoso no movimento dos vórtices quânticos.
Ao usar essas fases atômicas como trilhas de orientação naturais, os cientistas poderão controlar o movimento do vórtice com notável precisão. A capacidade de ajustar essa velocidade através da temperatura e do campo magnético também fornece uma forma adicional de influenciar o comportamento dos supercondutores.
Embora as aplicações práticas exijam maior desenvolvimento, esta abordagem à escala atómica poderá, em última análise, ajudar os investigadores a gerir tanto o movimento do vórtice como o fluxo de calor em futuras tecnologias supercondutoras, permitindo potencialmente dispositivos mais eficientes que consomem menos energia.
