Teoria da supercondutividade proposta pela equipe de físicos de Würzburg é validada em experimento internacional: pares de Cooper exibem distribuição semelhante a uma onda em metais de Kagome, permitindo novas aplicações tecnológicas, como diodos supercondutores.
Por cerca de quinze anos, os materiais Kagome com sua estrutura em forma de estrela que lembra um padrão de cestaria japonesa cativaram a pesquisa global. Somente a partir de 2018, os 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 Würzburg-Dresden ct.qmat – Complexidade e Topologia em Matéria Quântica e Presidente de Física Teórica na Universidade de Würzburg (JMU) forneceu insights importantes nessa 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 uma pré-impressão on-line publicada 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. A teoria de Thomale agora foi diretamente comprovada pela primeira vez em um experimento internacional, causando uma sensação mundial. Isso anula a suposição anterior de que os metais Kagome só poderiam hospedar pares de Cooper uniformemente distribuídos. Os 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 potássio vanádio antimônio (KV3Sb5) focou nos efeitos quânticos de elétrons individuais, que, embora não sejam supercondutores, podem exibir comportamento semelhante a ondas no material”, explica Thomale. “Após confirmar experimentalmente nossa teoria inicial sobre o comportamento dos elétrons 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 nos metais Kagome. Em temperaturas ultrabaixas em torno de -193 graus Celsius, 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 candidato a doutorado Hendrik Hohmann, um dos principais colaboradores do trabalho teórico ao lado de seu colega Matteo Dürrnagel. “Quando a temperatura cai para -272 graus (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 semelhante a uma 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 semelhante a uma 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 KV3Sb5 é, em última análise, devido à distribuição de elétrons semelhante a uma onda em temperaturas de 80 graus 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.
Efeito Josephson, ganhador do prêmio Nobel, permite avanço
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 os 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 Kagome exclusivos, com sua modulação espacial inerente de pares de Cooper, agem como diodos, oferecendo possibilidades interessantes para eletrônicos supercondutores e circuitos sem perdas.
Cluster de Excelência ct.qmat
O Cluster de Excelência ct.qmat – Complexidade e Topologia em Matéria Quântica é administrado em conjunto pela Universidade de Würzburg (JMU) e pela Technische Universität (TU) Dresden desde 2019. Mais de 300 cientistas de mais de trinta países e quatro continentes estudam materiais quânticos topológicos que revelam fenômenos surpreendentes sob condições extremas, como temperaturas ultrabaixas, alta pressão ou fortes campos magnéticos. O ct.qmat é financiado pela Estratégia de Excelência Alemã dos Governos Federal e Estadual e é o único Cluster de Excelência na Alemanha sediado em dois estados federais diferentes.
Publicação
Hanbin Deng, Hailang Qin, Guowei Liu, Tianyu Yang, Ruiqing Fu, Zhongyi Zhang, Xianxin Wu, Zhiwei Wang, Youguo Shi, Jinjin Liu, Hongxiong Liu, Xiao-Yu Yan, Wei Song, Xitong Xu, Yuanyuan Zhao, Mingsheng Yi, Gang Xu, Hendrik Hohmann, Sofie Castro Holbæk, Matteo Dürrnagel, Sen Zhou, Guoqing Chang, Yugui Yao, Qianghua Wang, Zurab Guguchia, Titus Neupert, Ronny Thomale, Mark H. Fischer & Jia-Xin Yin, Nature 632, 775'781 (2024). Modulações de supercondutividade quiral kagome com arcos Fermi residuais em KV3Sb5 e CsV3Sb5: '024 -07798-y.
Tilman Schwemmer, Hendrik Hohmann, Matteo Dürrnagel, Janik Potten, Jacob Beyer, Stephan Rachel, Yi-Ming Wu, Srinivas Raghu, Tobias Müller, Werner Hanke e Ronny Thomale, arXiv:2302.08517 (2023). Supercondutividade modulada por sub-rede no modelo kagome Hubbard. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2302.08517
Tilman Schwemmer, Hendrik Hohmann, Matteo Dürrnagel, Janik Potten, Jacob Beyer, Stephan Rachel, Yi-Ming Wu, Srinivas Raghu, Tobias Müller, Werner Hanke e Ronny Thomale, Phys. Rev. B 110, 024501 (2024). Supercondutividade modulada por sub-rede no modelo kagome Hubbard. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.024501
