Pesquisadores desenvolvem supercondutor exótico controlado por magnetismo

Os físicos desenvolveram um novo material exótico que combina supercondutividade e magnetismo. Esta combinação de dois estados normalmente incompatíveis resultou em um supercondutor estável amplificado pelo magnetismo, cujas funções podem ser controladas de forma especial pelo magnetismo. Esse avanço pode ter grandes implicações para a computação quântica, permitindo maior estabilidade dos qubits (bits quânticos).

Supercondutores são caracterizados pela capacidade de conduzir eletricidade sem resistência elétrica (a capacidade de um material de "frear" corrente elétrica) e indução magnética. Supercondutividade significa que a eletricidade pode ser transmitida sem perder energia. Essas propriedades os tornam materiais ideais para componentes eletrônicos em dispositivos de ressonância magnética (RM), trens de levitação magnética e aceleradores de partículas.

No entanto, a eficiência dos supercondutores convencionais é bastante reduzida devido à presença de um campo magnético externo. Em particular, ele não controla o fluxo de elétrons através do material. Pesquisadores da Universidade de Würzburg, na Alemanha, sugerem que essa limitação pode ser superada induzindo uma condição conhecida como "fase Fuld-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (p-FFLO)". É um estado exótico em que supercondutividade e magnetismo – dois fenômenos normalmente incompatíveis – podem coexistir no mesmo material. Para conseguir isso, o material deve ser um híbrido que combine supercondutividade e não-supercondutividade.

Em seu novo estudo, realizado em colaboração com o Centro Internacional de Física de Donostia (Espanha) e a Universidade Deft (Holanda), cientistas alemães desenvolveram um supercondutor híbrido com o estado p-FFLO. Em vez de ser perturbado pela presença de um campo magnético, o material pode manipulá-lo. "Graças ao campo magnético externo, agora podemos controlar com precisão as propriedades supercondutoras. Este é um verdadeiro avanço na física quântica", explica Charles Gould, coautor do estudo, cujos resultados são detalhados na revista Nature Physics, em um comunicado de imprensa da Universidade de Würzburg.

Material híbrido para um alto nível de controle

Para criar o novo material, os pesquisadores combinaram um supercondutor com um semicondutor, o chamado "isolante topológico". Os isolantes topológicos são materiais com um arranjo especial de elétrons que lhes permite conduzir eletricidade apenas na superfície, mas não no interior. O material utilizado neste estudo possui uma estrutura bidimensional composta por mercúrio, manganês e telúrio.

A combinação com um isolante topológico permitiu que o material formasse "junções de Josephson", uma propriedade que permite que o estado p-FFLO seja induzido. Mais especificamente, essas transições são formadas quando as porções supercondutoras de um material são separadas por uma fina camada de outro material não supercondutor (isolante topológico), permitindo que um alto nível de controle seja alcançado.

Arranjo experimental para pesquisa.

"Isso nos permitiu combinar as propriedades da supercondutividade e dos semicondutores", explica Gould. "Dessa forma, combinamos as vantagens de um supercondutor com a controlabilidade de um isolante topológico", acrescenta. Ao incorporar átomos magnéticos em um isolante topológico, é possível controlar o material com grande precisão, induzindo um campo magnético externo fraco.

De acordo com especialistas, esses resultados permitirão estudar o estado do FFLO em condições experimentais mais acessíveis. Eventualmente, isso poderia levar ao uso de computadores quânticos para melhorar seu desempenho. Ao contrário dos computadores convencionais, os computadores quânticos usam bits quânticos (qubits) para armazenar informações. No entanto, os bits quânticos são extremamente sensíveis a interferências externas, como campos magnéticos. "Nossa descoberta pode ajudar a estabilizar os bits quânticos para que eles possam ser usados de forma mais eficiente em computadores quânticos no futuro", conclui Gould.

Referências

Nature Physics