Avanço na supercondução: cientistas descobrem um novo estado da matéria quântica

Por Cornell University 29 de agosto de 2023

Cientistas de Cornell descobriram um novo estado de matéria quântica no ditelureto de urânio, que poderia revolucionar a computação quântica e a spintrônica, formando a plataforma de materiais para computadores quânticos ultraestáveis ​​e revelando novos caminhos para identificar tais estados em vários materiais.

Researchers from Cornell University have identified a new state of matter in candidate topological superconductors, a discovery that may have far-reaching implications for both condensed matter physics and the fields of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">computação quântica e spintrônica.

Pesquisadores do Grupo de Matéria Quântica Macroscópica em Cornell descobriram e visualizaram um estado cristalino, mas supercondutor, em um supercondutor novo e incomum, Ditelureto de Urânio (UTe2), usando um dos microscópios de túnel Josephson digitalizados (SJTM) milikelvin mais poderosos do mundo. Este “cristal de pares de elétrons spin-tripleto” é um estado anteriormente desconhecido de matéria quântica topológica.

As descobertas foram publicadas recentemente na revista Nature. Qiangqiang Gu, um pesquisador de pós-doutorado que trabalha no laboratório do físico JC Séamus Davis, o ilustre professor emérito James Gilbert White na Faculdade de Artes e Ciências, co-liderou a pesquisa com Joe Carroll da University College Cork e Shuqiu Wang da Universidade de Oxford.

Os supercondutores são topológicos quando o potencial de emparelhamento exibe uma paridade ímpar, fazendo com que cada par de elétrons adote um estado spin-tripleto, com ambos os spins dos elétrons orientados na mesma direção. Os supercondutores topológicos são alvo de intensa pesquisa por parte dos físicos porque podem, em teoria, formar a plataforma de materiais para computadores quânticos ultraestáveis, disse Gu.

No entanto, mesmo após uma década de intensa investigação sobre supercondutividade topológica, nenhum material a granel foi definitivamente reconhecido como supercondutor de spin-tripleto e de paridade ímpar, com exceção do superfluido 3He, que também foi descoberto em Cornell. Recentemente, o novo material exótico Ditelureto de Urânio (UTe2) emergiu como um candidato altamente promissor para esta classificação. No entanto, o seu parâmetro de ordem supercondutora permanece indefinido, disse Gu.

Em 2021, os físicos teóricos começaram a propor que UTe2 está na verdade em um estado topológico de onda de densidade de par (PDW). Nenhuma tal forma de matéria quântica jamais foi detectada.

Em termos simples, um PDW é como uma dança estacionária de elétrons emparelhados encontrados em um supercondutor, mas os pares formam padrões cristalinos periódicos no espaço.

“Nossa equipe em Cornell descobriu o primeiro PDW já observado em 2016 usando o microscópio digitalizado de túnel Josephson com ponta supercondutora que inventamos para esse propósito”, disse Gu. “Desde então, fomos pioneiros em estudos SJTM em temperaturas milikelvin e com resolução de energia em microvolts. Para o projeto UTe2, visualizamos diretamente as modulações espaciais do potencial de emparelhamento supercondutor em escala atômica e descobrimos que elas modulam exatamente como previsto em um estado PDW, à medida que a densidade dos pares de elétrons modula periodicamente no espaço. O que detectamos é um novo estado de matéria quântica – uma onda de densidade de par topológico composta por pares de Cooper spin-tripleto.”

As ondas de densidade de pares de Cooper são uma forma de matéria quântica eletrônica na qual pares de elétrons congelam em um estado PDW supercondutor, em vez de formar um fluido “supercondutor” convencional, onde todos estão no mesmo estado de movimento livre.

“A descoberta do primeiro PDW em supercondutores spin-tripletos é emocionante”, disse Gu. “Compostos supercondutores de férmions pesados ​​à base de urânio são uma classe nova e exótica de materiais que fornecem uma plataforma promissora para a realização de supercondutividade topológica. … Nossa descoberta científica também aponta a natureza onipresente deste estado quântico intrigante em supercondutores de ondas S, ondas D e ondas P, e lança luz sobre novos caminhos para identificar tais estados em um amplo espectro de materiais.