Físicos da Granger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign descobriram evidências de uma forma incomum de comportamento supercondutor no ditelureto de urânio. As suas experiências mostram que os pares de Cooper, os electrões emparelhados que tornam possível a supercondutividade, podem organizar-se em padrões desiguais, mesmo quando o material já não está no seu estado supercondutor principal.
Esses padrões são chamados de ondas de densidade de pares (PDWs). Os cientistas os previram pela primeira vez há cerca de 20 anos, e estudos anteriores os observaram em outros metais com supercondutividade. Nova pesquisa, publicada em Anais da Academia Nacional de CiênciasAvança. Isto fornece a primeira evidência direta de que o PDW no ditelureto de urânio pode permanecer na fase “normal” do material após o desaparecimento da supercondutividade.
“Ondas de densidade de pares são o sorriso de gato de Cheshire da supercondutividade”, disse Eduardo Fradkin, professor de engenharia física da Universidade de Illinois Grainger e co-líder do projeto. “São restos que permanecem após o desaparecimento da fase. Nos supercondutores convencionais, os pares de Cooper formam-se quando ocorre uma transição de fase completa, mas, neste sistema, a sua observação no PDW acima do ponto de transição mostra que já se formaram num estado diferente.”
“Graças a novos métodos de cultivo de amostras de alta qualidade, fomos capazes de observar assinaturas espectrais que respondem à temperatura e aos campos magnéticos exatamente como as ondas de densidade de pares deveriam”, disse Vidya Madhavan, Professora de Engenharia Física da Universidade de Illinois Grainger e outro co-líder do projeto. “Também mostramos que os modos persistem acima da temperatura na qual a supercondutividade desaparece, uma previsão teórica clara que não foi vista concretamente até agora.”
Como os supercondutores não convencionais se comportam
A supercondutividade ocorre quando um metal pode conduzir eletricidade com resistência zero após ser resfriado abaixo de uma temperatura crítica. Neste estado, os elétrons livres do material se acomodam em um estado quântico de baixa energia.
Isto cria um desafio fundamental. Os elétrons pertencem a um grupo de partículas chamadas férmions, e a mecânica quântica evita que os férmions se agrupem em um único estado. A supercondutividade supera esta restrição através de um processo mais complexo envolvendo pares de elétrons.
Em 1957, os físicos de Illinois John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schriefer explicaram esse comportamento no que ficou conhecido como teoria BCS. De acordo com o modelo deles, os elétrons primeiro se correlacionam por meio de interações com a rede subjacente do metal. Um elétron emparelha-se com outro para formar um par de Cooper.
Ao contrário dos elétrons individuais, os pares de Cooper se comportam como bósons. Isto significa que muitos deles podem ocupar o mesmo estado quântico sem que a repulsão seja aplicada a diferentes férmions. Uma vez emparelhados, eles podem condensar-se em um estado supercondutor.
A teoria BCS explicou com sucesso o comportamento supercondutor conhecido até que os cientistas descobriram supercondutores “não convencionais” em 1986. Esses materiais não se enquadram nas suposições por trás da teoria BCS, embora seus elétrons ainda formem pares de Cooper e se condensem. Compreender como funcionam os supercondutores não convencionais continua sendo uma área ativa de pesquisa em física.
Mistério das ondas de densidade de pares
Supercondutores não convencionais frequentemente hospedam outras fases eletrônicas em temperaturas abaixo da temperatura crítica supercondutora. Um exemplo são as ondas de densidade de carga (CDWs), nas quais alguns elétrons formam um padrão repetitivo e não uniforme. Isto resulta em mudanças periódicas de carga, com algumas áreas tendo mais carga elétrica e outras menos.
Em 2007, Fradkin e colegas propuseram outra fase possível conhecida como onda de densidade de pares. Os pares de Cooper são normalmente distribuídos uniformemente por um supercondutor, mas os pesquisadores sugeriram que os pares também poderiam se organizar em padrões repetidos.
Sua teoria fez uma previsão particularmente incomum. Ondas de densidade de pares podem potencialmente sobreviver acima da temperatura crítica, o que significaria que pares de Cooper poderiam se formar mesmo quando um material não tivesse entrado em sua fase supercondutora.
“Estávamos céticos quando isso foi sugerido pela primeira vez”, disse Fradkin. “Esta é uma situação muito estranha e, embora tenha havido indicações experimentais, não houve confirmação direta da existência da fase”.
“Os PDWs são difíceis de analisar em materiais reais, porque se comportam como supercondutores convencionais em alguns experimentos, e como CDWs em outros”, disse Julian May-Man, estudante de engenharia da Illinois Grainger que trabalhou na análise teórica do estudo. “Confirmar a existência do PDW requer dados experimentais de alta qualidade, bem como uma análise teórica cuidadosa.
Por que o ditelureto de urânio é diferente?
Até 2019, o ditelureto de urânio era geralmente considerado um metal comum. Isso mudou quando os pesquisadores descobriram que ele entrou em uma fase supercondutora abaixo de 2 Kelvin.
Investigações posteriores levaram os físicos a suspeitar que o ditelureto de urânio pode ser um supercondutor raro de pares triplos. Ao contrário dos pares de elétrons descritos pela teoria BCS, os pares de elétrons triplos têm momentos magnéticos.
O único exemplo confirmado de uma ‘superfase’ de par triplo é o superfluido hélio-3. Este sistema foi estudado extensivamente pelo falecido físico de Illinois, Anthony Leggett, que recebeu o Prêmio Nobel por este trabalho.
“Prevê-se que existam supercondutores de pares triplos com propriedades análogas ao superfluido hélio-3, e acredita-se que existam vários desses supercondutores”, disse Fradkin. “Eu não diria que a questão está completamente resolvida, mas o consenso geral é que o ditelureto de urânio é um supercondutor de pares triplos.”
O ditelureto de urânio eventualmente atraiu a atenção do grupo de pesquisa experimental de Madhavan. Usando microscopia de varredura por tunelamento, a equipe identificou CDW no material. Mas havia algo naquelas ondas que não estava se comportando como esperado. Os campos magnéticos podem destruí-los.
“As ondas de densidade de carga são simplesmente um estado eletrônico coletivo que é modulado no espaço, portanto não têm razão para reagir aos campos magnéticos, muito menos para serem destruídas por eles”, disse Madhavan. “Levámos os nossos dados ao Professor Fradkin e aos seus alunos, e levantamos a hipótese de que isto poderia acontecer se também houvesse uma onda de densidade de pares no sistema. Não há muitas explicações possíveis para algo assim, e as ondas de densidade de pares são as melhores que consigo pensar.”
Melhores cristais revelam reino oculto
Para investigar a possibilidade de ondas de densidade de pares, a equipe de Madhavan primeiro precisou de amostras mais limpas de ditelureto de urânio. PDWs são extremamente frágeis e requerem cristais altamente regulares para se formarem.
Os parceiros forneceram amostras de alta qualidade produzidas com o novo método de crescimento por fluxo de fusão. Os pesquisadores então os examinaram usando um microscópio de tunelamento de varredura de campo magnético vetorial (STM), que permite aos cientistas estudar como a superfície de um material reage a campos magnéticos aplicados de diferentes direções.
“Não conseguimos ver as ondas de densidade de pares nos nossos dados anteriores devido a imprecisões físicas que obscureceram os nossos dados”, disse Madhavan. “Seria como tentar encontrar luz numa nuvem de nevoeiro. Mas conseguimos obter amostras melhores devido ao nosso novo instrumento de campo magnético vetorial. Este último foi especialmente importante porque o ditelureto de urânio é anisotrópico, por isso precisávamos da capacidade de examinar o cristal de múltiplas direções.”
“Uma grande vantagem do nosso experimento foi o recém-desenvolvido instrumento de ímã vetorial, que fornece uma faixa de campo magnético incomumente grande ao longo de múltiplas direções”, disse Jane Zhu, pesquisadora de pós-doutorado em física e engenharia de Illinois Grainger que realizou os experimentos. “Esta capacidade é particularmente adequada para o ditelureto de urânio, cuja região crítica superior supercondutora é fortemente anisotrópica. Ao alterar sistematicamente a magnitude e a direção do campo juntamente com a temperatura, podemos acompanhar como esses modos evoluíram e construir a confiança de que o comportamento que observamos era intrínseco.”
Os pares de Cooper persistem mesmo após o desaparecimento da supercondutividade
As medições do CDW revelaram padrões que mudaram com a temperatura e o campo magnético de uma maneira esperada para o PDW. Os efeitos magnéticos podem destruí-los, conforme previsto pela explicação da onda de densidade de pares.
O resultado mais surpreendente veio quando os pesquisadores aumentaram a temperatura. Alguns modos permaneceram presentes mesmo depois que o material passou da temperatura crítica e a fase supercondutora principal desapareceu.
“Existem princípios fundamentais na física da matéria condensada que explicam como diferentes fases podem aparecer e desaparecer quando se muda a temperatura ou se aplica um campo magnético”, disse May-Mann. “Qualquer explicação de dados experimentais que se baseie exclusivamente no CDW é contrária a estes princípios. Uma explicação baseada no PDW, por outro lado, fornece uma explicação satisfatória e consistente.”
Os pesquisadores notaram uma limitação importante. A imagem STM mede apenas os efeitos na superfície do material, portanto o experimento não revela diretamente o que está acontecendo no interior do ditelureto de urânio. No entanto, a equipa acredita que as descobertas fornecem uma pista forte e podem abrir novas direções para o estudo da supercondutividade não convencional.
“É possível que o interior de um material se comporte de forma diferente da superfície, mas estes resultados experimentais ainda nos dão uma indicação muito forte do que está a acontecer no seu interior,” disse Fradkin.
“Como experimentalista, uma das coisas mais satisfatórias é quando múltiplas medições independentes começam a contar a mesma história”, disse Zhu. “Aqui, as dependências da temperatura e do campo magnético, juntamente com a melhoria da qualidade da amostra, uniram-se para revelar uma imagem notavelmente consistente do estado da onda de densidade do par.”
Yudi Huang, Kaiming Liu, Zheyu Wu, Shanta Saha, Johnpierre Paglione, Alexander Eaton, Andrzej Kabala e Michal Waliska também contribuíram para este trabalho.
A assistência foi fornecida pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Escritório de Ciências Básicas de Energia, Divisão de Ciência e Engenharia de Materiais.
