Os pesquisadores descobriram e explicaram uma forma incomum de supercondutividade que só aparece em campos magnéticos extremamente fortes. O trabalho, liderado em parte pelo físico da Universidade Rice, Andrei Nevidsky, foi publicado no Ciência e descreve como o ditelureto de urânio (UTe2) forma um halo supercondutor característico sob condições magnéticas intensas.
Em condições normais, os campos magnéticos destroem os supercondutores. Mesmo os campos relativamente modestos tendem a enfraquecer a supercondutividade, enquanto os mais fortes geralmente a eliminam completamente quando um limite crítico é atingido. Ute2 viola esta regra. Em 2019, os cientistas descobriram que ele pode permanecer supercondutor em campos magnéticos centenas de vezes mais fortes do que os materiais típicos podem suportar.
“Quando vi pela primeira vez os dados experimentais, fiquei surpreso”, disse Nevidsky, membro do Instituto Rice para Materiais Avançados e do Centro Rice para Materiais Quânticos. “A supercondutividade foi inicialmente suprimida pelo campo magnético, como esperado, mas depois reapareceu em campos mais elevados e apenas para o que parecia ser uma direção de campo estreita. Não houve explicação imediata para este comportamento intrigante.”
“Ressurreição” supercondutora em campos extremos
Este comportamento estranho, notado pela primeira vez por equipes da Universidade de Maryland (UMD) e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), rapidamente chamou a atenção de toda a comunidade física. Na UTE2a supercondutividade desaparece abaixo de 10 tesla, que já é um campo extremamente forte, mas retorna inesperadamente em intensidades de campo acima de 40 tesla.
Os cientistas chamaram esse renascimento de fase de Lázaro. Acontece que esta fase depende fortemente do ângulo entre o campo magnético e a estrutura cristalina do material.
Trabalhando com colaboradores da UMD e do NIST, Nevidsky ajudou a descobrir como esta supercondutividade de campo alto muda com a direção. Suas medições mostraram que a região supercondutora tem uma forma toroidal, ou donut, que circunda um eixo específico dentro do cristal.
“Nossas medições revelaram um halo supercondutor tridimensional que envolve o eixo B sólido do cristal”, disse Sylvia Levin do NIST, uma das principais autoras do estudo. “Foi um resultado incrível e lindo.”
Construindo um modelo para explicar o halo
Para entender o que estava acontecendo, Nevidamsky criou um modelo teórico que poderia explicar as observações sem depender muito de detalhes microscópicos incertos. O modelo adota uma abordagem fenomenológica, concentrando-se no comportamento geral, em vez dos mecanismos subjacentes precisos que fazem com que os elétrons se juntem em um par de Cooper.
Os resultados correspondem exatamente aos dados experimentais, especialmente a forma incomum de alterar a supercondutividade dependendo da direção do campo magnético. O modelo mostra como a orientação desempenha um papel crítico na manutenção ou recuperação da supercondutividade na UTE2.
Como o magnetismo e a supercondutividade interagem
O estudo também mostrou que os pares de Cooper neste material se comportam como se carregassem momento angular, como um objeto em rotação. Quando um campo magnético é aplicado, ele interage com esse movimento para criar um efeito direcional que produz o padrão de halo observado.
Este insight ajuda a explicar como o magnetismo e a supercondutividade podem coexistir em materiais com fortes propriedades direcionais, como UTe2.
“Uma das observações experimentais é um aumento repentino na magnetização da amostra, o que chamamos de transição metamagnética”, disse Peter Chaika do NIST, um dos principais autores do estudo. “A supercondutividade de alto campo só aparece quando a magnitude do campo atinge esse valor, que por si só é fortemente dependente do ângulo.”
Os cientistas ainda estão debatendo o que causa esta transição metamagnética e como ela afeta a supercondutividade. Newidmsky disse que o novo modelo poderia ajudar a explicar esta questão em aberto.
“Embora a natureza da cola de acoplamento neste material ainda não seja compreendida, o conhecimento de que os pares de Cooper carregam um momento magnético é um resultado chave deste estudo e deve ajudar a orientar futuras investigações”, disse ele.
Equipe de pesquisa e suporte
A pesquisa envolveu Corey Frank e Nicholas Butch do NIST; Hyuk Yoon, Yoon Suk Eoh, Johnpierre Paglione e Gichela Saucedo Salas da UMD; e G. Timothy Noh e John Singleton do Laboratório Nacional de Los Alamos. O financiamento foi fornecido pelo Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation.
