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Validação da teoria supercondutora: pares de Cooper exibem distribuição ondulatória em metais de Kagome
Uma teoria de supercondutividade proposta por uma equipe de física de Würzburg foi validada em um experimento internacional que mostrou que pares de Cooper exibem distribuição semelhante a ondas em metais de Kagome.
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Katja Lesser - 23/08/2024
A ilustração destaca o padrão Kagome que, nomeado em homenagem a um motivo de cestaria japonesa, parece uma série infinita de estrelas de seis pontas. Cada uma dessas estrelas é composta de três grades triangulares interligadas, com a sub-rede formando as pontas das estrelas. Crédito: Jörg Bandmann/pixelwg & neongrau
Uma teoria de supercondutividade proposta por uma equipe de física de Würzburg foi validada em um experimento internacional que mostrou que pares de Cooper exibem distribuição semelhante a ondas em metais de Kagome. A descoberta permitirá novas aplicações tecnológicas, como diodos supercondutores.
Por cerca de 15 anos, materiais Kagome com sua estrutura em forma de estrela que lembra um padrão de cestaria japonesa cativaram pesquisadores globais. Somente desde 2018, cientistas conseguiram sintetizar compostos metálicos com essa estrutura em laboratório.
Graças à sua geometria cristalina única, os metais Kagome combinam propriedades eletrônicas, magnéticas e supercondutoras distintas , tornando-os promissores para futuras tecnologias quânticas.
O professor Ronny Thomale do Cluster de Excelência de Würzburg-Dresden ct.qmat—Complexidade e Topologia em Matéria Quântica e titular da Cátedra de Física Teórica na Universidade de Würzburg (JMU) forneceu insights importantes sobre essa classe de materiais com suas primeiras previsões teóricas.
Descobertas recentes publicadas na Nature sugerem que esses materiais podem levar a novos componentes eletrônicos, como diodos supercondutores.
O supercondutor Kagome abala a ciência
Em um artigo publicado no servidor de pré-impressão arXiv em 16 de fevereiro de 2023, a equipe do Professor Thomale propôs que um tipo único de supercondutividade poderia se manifestar em metais Kagome, com pares de Cooper se distribuindo de forma ondulatória dentro das sub-redes. Cada "ponto estrela" contém um número diferente de pares de Cooper. Esse artigo foi publicado na Physical Review B.
A teoria de Thomale foi agora diretamente comprovada pela primeira vez em um experimento internacional, causando uma sensação mundial. Isso derruba a suposição anterior de que os metais de Kagome só poderiam hospedar pares de Cooper uniformemente distribuídos.
Pares de Cooper — nomeados em homenagem ao físico Leon Cooper — são formados em temperaturas muito baixas por pares de elétrons e são essenciais para a supercondutividade. Agindo coletivamente, eles podem criar um estado quântico e também podem se mover através de um supercondutor Kagome sem resistência.
"Inicialmente, nossa pesquisa sobre metais Kagome, como o potássio vanádio antimônio (KV 3 Sb 5 ), se concentrou nos efeitos quânticos de elétrons individuais, que, embora não sejam supercondutores, podem exibir comportamento ondulatório no material", explica Thomale.
"Após confirmar experimentalmente nossa teoria inicial sobre o comportamento do elétron com a detecção de ondas de densidade de carga há dois anos, tentamos encontrar fenômenos quânticos adicionais em temperaturas ultrabaixas. Isso levou à descoberta do supercondutor Kagome. No entanto, a pesquisa global de física em materiais Kagome ainda está em sua infância", observa Thomale.
Transmitindo movimento de onda
"A física quântica está familiarizada com o fenômeno da onda de densidade de pares — uma forma especial de condensado supercondutor. Como todos sabemos pela culinária, quando o vapor esfria, ele condensa e se torna líquido.
"Algo semelhante acontece em metais de Kagome. Em temperaturas ultrabaixas em torno de –193°C, os elétrons se reorganizam e se distribuem em ondas no material. Isso é conhecido desde a descoberta das ondas de densidade de carga", explica o aluno de doutorado Hendrik Hohmann, um dos principais colaboradores do trabalho teórico ao lado de seu colega Matteo Dürrnagel.
"Quando a temperatura cai para –272° (quase zero absoluto), os elétrons se juntam em pares. Esses pares de Cooper se condensam em um fluido quântico que também se espalha em ondas pelo material, permitindo a supercondutividade sem resistência. Essa distribuição em forma de onda é, portanto, transmitida dos elétrons para os pares de Cooper."
Pesquisas anteriores sobre metais Kagome demonstraram tanto a supercondutividade quanto a distribuição espacial dos pares de Cooper. A nova descoberta surpreendente é que esses pares podem ser distribuídos não apenas uniformemente, mas também em um padrão de onda dentro das sub-redes atômicas, um fenômeno denominado "supercondutividade modulada por sub-rede".
Dürrnagel acrescenta: "A presença de ondas de densidade de pares em KV 3 Sb 5 é, em última análise, devido à distribuição de elétrons em forma de onda em temperaturas de 80° acima da supercondutividade. Essa combinação de efeitos quânticos abriga um potencial significativo."
Os pesquisadores do ct.qmat estão agora procurando por metais Kagome onde pares de Cooper exibem modulação espacial sem ondas de densidade de carga surgindo antes da supercondutividade. Candidatos promissores já estão em estudo.
O Efeito Josephson, vencedor do Prêmio Nobel, permite avanços
O experimento, pioneiro em sua detecção direta de pares de Cooper distribuídos em padrões semelhantes a ondas dentro de um metal Kagome, foi desenvolvido por Jia-Xin Yin na Southern University of Science and Technology em Shenzhen, China. Ele utilizou um microscópio de tunelamento de varredura equipado com uma ponta supercondutora capaz de observar diretamente pares de Cooper.
O design desta ponta, terminando em um único átomo , é baseado no efeito Josephson, ganhador do Prêmio Nobel. Uma corrente supercondutora passa entre a ponta do microscópio e a amostra, permitindo a medição direta da distribuição dos pares de Cooper.
"As descobertas atuais são outro marco em direção a dispositivos quânticos energeticamente eficientes. Embora esses efeitos sejam atualmente observáveis apenas no nível atômico, uma vez que a supercondutividade de Kagome seja atingível em uma escala macroscópica, novos componentes supercondutores se tornarão viáveis. E é isso que impulsiona nossa pesquisa básica", afirma o professor Thomale.
Panorama
Enquanto o cabo supercondutor mais longo do mundo foi instalado em Munique, pesquisas intensivas ainda estão sendo realizadas em componentes eletrônicos supercondutores. Os primeiros diodos supercondutores já foram desenvolvidos em laboratório, mas eles dependem de uma combinação de diferentes materiais supercondutores.
Em contraste, os supercondutores exclusivos de Kagome, com sua modulação espacial inerente de pares de Cooper, atuam como diodos, oferecendo possibilidades interessantes para eletrônicos supercondutores e circuitos sem perdas.
Mais informações: Hanbin Deng et al, Modulações de supercondutividade quiral kagome com arcos de Fermi residuais, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07798-y
Tilman Schwemmer et al, Supercondutividade modulada por sub-rede no modelo de Hubbard Kagome, Physical Review B (2024). DOI: 10.1103/PhysRevB.110.024501
Informações do periódico: Physical Review B , Nature , arXiv
