Cientistas chineses desafiam a física com descoberta de “supercondutividade reentrante” em material de níquel

Em uma reviravolta que pode redefinir nossa compreensão da relação entre magnetismo e supercondutividade, cientistas chineses alcançaram um avanço significativo em um sistema supercondutor à base de níquel. A pesquisa, liderada pelo Prof. Danfeng Li da Universidade da Cidade de Hong Kong e pelo Prof. Qikun Xue do Instituto de Tecnologia do Sul, em colaboração com a Universidade Tsinghua, o Instituto de Ciência dos Materiais de Hefei da Academia Chinesa de Ciências e o Centro Nacional de Campos Magnéticos Pulsados ​​da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, revelou um fenômeno inédito: a “supercondutividade reentrante” induzida por campos magnéticos fortes em filmes finos de óxido de níquel com dopagem de európio (Eu). Os resultados foram publicados como “aviso antecipado” na prestigiada revista Nature, gerando grande entusiasmo na comunidade da física da matéria condensada global.

Tradicionalmente, campos magnéticos fortes são conhecidos por destruir as propriedades de zero resistência dos supercondutores. Magnetismo e supercondutividade sempre foram vistos por físicos como estados quânticos “opostos”. Um campo magnético externo normalmente interrompe os pares de elétrons supercondutores através de efeitos orbitais e do Pauli paramagnetismo, suprimindo ou eliminando a supercondutividade. No entanto, em materiais raros como compostos de fase Chevrel, supercondutores orgânicos e supercondutores de férmions pesados, os cientistas observaram um comportamento peculiar: a supercondutividade, suprimida em campos magnéticos baixos, pode “ressuscitar” com o aumento contínuo do campo. Este fenômeno, conhecido como “supercondutividade reentrante”, sempre foi restrito a sistemas com temperaturas de transição extremamente baixas (próximas do zero absoluto) e nunca havia sido demonstrado em materiais supercondutores de alta temperatura.

A equipe chinesa agora expandiu esse fenômeno para óxidos de níquel com camadas infinitas, que possuem uma temperatura de transição relativamente alta (aproximadamente 32K). Utilizando deposição por laser pulsado e tecnologia de redução topológica in situ, eles criaram filmes finos de Sm₀.₉₅₋ₓCa₀.₀₅EuₓNiO₂ de alta qualidade e construíram um diagrama de fases completo para diferentes concentrações de európio. Quando a concentração de európio atingiu uma faixa específica (x=0,32—0,40), os experimentos revelaram uma transformação surpreendente: a supercondutividade do material era inicialmente suprimida em campos magnéticos baixos, levando a um estado normal. No entanto, ao aumentar a intensidade do campo magnético para cerca de 15 Tesla ou mais, a supercondutividade reapareceu e permaneceu estável em campos fortes de até 45 Tesla.

Os pesquisadores confirmaram rigorosamente esse estado supercondutor de alto campo usando medições de “resistência zero” e “susceptibilidade magnética”, descartando a possibilidade de artefatos de medição. Esta descoberta sugere que, sob certas condições, as interações magnéticas não são inerentemente destrutivas para a supercondutividade, mas podem, na verdade, promover o pareamento de elétrons. A supercondutividade reentrante no sistema à base de níquel também exibe uma “robustez em todos os ângulos” que não é encontrada na supercondutividade reentrante tradicional. Em compostos de fase Chevrel, supercondutores orgânicos e supercondutores de férmions pesados ​​relatados anteriormente, a supercondutividade reentrante geralmente é altamente sensível ao ângulo do campo magnético, ocorrendo apenas em uma faixa estreita de direções de campo (aproximadamente 2°—10°). No entanto, este estudo descobriu que, no sistema à base de níquel, o estado supercondutor de alto campo permanece estável em toda a faixa de ângulos de 0° a 90°. Em concentrações de dopagem mais altas, o estado supercondutor em campos magnéticos altos é até mais robusto do que em campos baixos.

Essa característica de amplo ângulo sugere que o mecanismo de “cancelamento de campo” clássico (efeito Jaccarino-Peter) – onde o grande momento magnético dos íons Eu²⁺ de terras raras cria um campo interno de troca que se opõe ao campo externo, reduzindo o campo efetivo abaixo do campo crítico superior – é insuficiente para explicar completamente esses fenômenos. A equipe de pesquisa propõe que os resultados experimentais indicam a presença de um mecanismo de pareamento supercondutor não convencional induzido por correlações magnéticas dentro do sistema, abrindo novos caminhos experimentais para desvendar os mecanismos subjacentes à supercondutividade de alta temperatura.

Medições de transporte em amostras superdoped também revelaram várias evidências de suporte importantes: a resistividade de Hall exibe uma característica não linear distinta e tende a saturar em campos magnéticos fortes; a curva de magnetoresistência exibe um laço de histerese significativo, cuja dependência da temperatura sugere a possível quebra da simetria de inversão de tempo no sistema. Esses fenômenos experimentais sugerem que os momentos magnéticos locais de Eu²⁺ podem induzir correlações magnéticas complexas através de um forte acoplamento spin-órbita e interagir de forma não trivial com os elétrons itinerantes 3d do níquel, afetando profundamente a estabilidade do pareamento supercondutor e a evolução do diagrama de fases.

A obtenção desses resultados dependeu fortemente do suporte de condições experimentais extremas. Para observar claramente as características da supercondutividade reentrante, são necessários campos magnéticos de 60 Tesla ou mais, juntamente com medições de alta precisão das propriedades de transporte elétrico em toda a faixa de ângulos. O Centro Nacional de Campos Magnéticos Pulsados ​​da Universidade de Ciência e Tecnologia da China desempenhou um papel insubstituível neste aspecto. Como a única instalação de campo magnético pulsado na China e a maior da Ásia, o centro pode gerar campos magnéticos pulsados ​​de 50 a 94,88 Tesla, com indicadores técnicos principais que atingem níveis de liderança internacional. A equipe do Prof. Liang Li e do pesquisador Junfeng Wang não apenas forneceu condições de campo superforte estáveis ​​de 60 Tesla, mas também utilizou sua tecnologia de medição de transporte elétrico rotacional desenvolvida internamente para capturar com precisão este novo fenômeno quântico, cobrindo toda a faixa de ângulos de 0° a 90° e toda a faixa de dopagem de európio.

📝 Nota do Especialista Tec Arena

Esta descoberta é um marco na física da matéria condensada. A supercondutividade reentrante em um material de alta temperatura como o óxido de níquel desafia as teorias existentes e abre novas avenidas para a pesquisa de supercondutores. Embora a aplicação prática imediata ainda seja distante, o potencial para o desenvolvimento de materiais supercondutores mais eficientes e robustos é enorme. No momento, não há previsão de disponibilidade comercial desses materiais no Brasil, e o custo para replicar a pesquisa seria proibitivo. A complexidade da infraestrutura necessária, como o centro de campos magnéticos pulsados, torna a produção em larga escala um desafio significativo.

Via: IT之家