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Uma nova colaboração internacional liderada pelo RMIT publicada em fevereiro descobriu, pela primeira vez, uma transição distinta de supercondutor-isolante bosônico impulsionada por distúrbios.
A descoberta traça uma imagem global do gigantesco efeito Hall anômalo e revela sua correlação com a onda de densidade de carga não convencional no AV3Sb5 kagome família de metais, com aplicações potenciais em eletrônicos futuros de energia ultrabaixa.
Os supercondutores, que podem transmitir eletricidade sem dissipação de energia, são uma grande promessa para o desenvolvimento de futuras tecnologias eletrônicas de baixa energia e já são aplicados em diversos campos, como trens flutuantes e ímãs de alta resistência (como ressonâncias magnéticas médicas).
No entanto, exatamente como a supercondutividade se forma e funciona em muitos materiais permanece uma questão não resolvida e limita suas aplicações.
Recentemente, um novo kagome família de supercondutores AV3Sb5 tem atraído grande interesse por suas novas propriedades. Os materiais ‘Kagome’ apresentam uma treliça incomum com o nome de um padrão de cestaria japonesa com triângulos de cantos compartilhados.
O AV3Sb5 materiais (onde A refere-se a césio, rubídio ou potássio) fornecem plataformas ideais para estudos de física, como topologia e fortes correlações, mas, apesar de muitas investigações recentes, a origem do efeito Hall anômalo gigante do material e a supercondutividade permanecem em debate.
A colaboração liderada pelo FLEET de pesquisadores da RMIT University (Austrália) e da organização parceira High Magnetic Field Laboratory (China) confirma pela primeira vez o controle elétrico da supercondutividade e AHE em um van der Waals kagome metal CsV3Sb5.
Manipulando o efeito Hall anômalo gigante via intercalação reversível de prótons
Possuindo bandas topológicas de elétrons e frustração geométrica de redes de vanádio, as camadas kagome metais AV3Sb5 têm atraído grande interesse na física da matéria condensada devido aos muitos fenômenos quânticos que eles suportam, incluindo:
- não convencional, nova ordem nemática
- ordem de densidade de carga quiral
- efeito Hall anômalo gigante (AHE) e
- a interação entre a supercondutividade de duas lacunas e a onda de densidade de carga (CDW) em AV3Sb5.
Além disso, a origem do AHE gigante em AV3Sb5 e sua correlação com o CDW quiral permanecem indefinidos, apesar de vários mecanismos recentemente propostos, incluindo o espalhamento assimétrico extrínseco de quasipartículas de Dirac com subrede magnética frustrada, as correntes orbitais da nova ordem de carga quiral e a fase de fluxo quiral na fase CDW.
“Até agora, obtivemos muitos resultados intrigantes com a técnica de porta de prótons em dispositivos spintrônicos vdW. Uma vez que esta técnica pode efetivamente modular a densidade de portadoras até 1021 cm-3gostaríamos de aplicá-lo em AV3Sb5que abriga um nível de densidade de portadora semelhante”, diz o primeiro autor do novo estudo, Dr. Guolin Zheng (RMIT) da FLEET Research Fellow.
“A capacidade de ajustar a densidade de portadores e as superfícies de Fermi correspondentes desempenharia um papel vital na compreensão e manipulação desses novos estados quânticos e potencialmente realizaria algumas transições de fase quântica exóticas”.
A equipe optou por testar essa teoria em CsV3Sb5 que potencialmente tem o maior espaço de átomo livre para intercalação de prótons. Os dispositivos foram facilmente projetados e fabricados com base na rica experiência da equipe neste campo.
Seus resultados subsequentes com CsV3Sb5 dependia fortemente da espessura do material.
“Foi muito difícil modular efetivamente os nanoflakes ‘mais espessos’ (mais de 100 nm)”, diz o co-primeiro autor, FLEET Research Fellow Dr. Cheng Tan (RMIT).
“Mas quando a espessura caiu para cerca de 40 nm, a injeção do próton tornou-se bastante fácil”, diz Cheng. “Até descobrimos que a injeção é altamente reversível. De fato, raramente encontramos um material tão favorável aos prótons!”
Curiosamente, com a evolução da intercalação de prótons, o tipo de portador (ou o ‘sinal’ do efeito Hall) pode ser modulado para o tipo buraco ou elétron e a amplitude dos AHEs alcançados também foi efetivamente ajustada.
Outras investigações experimentais e teóricas indicam que esta modulação dramática de AHE gigante se origina da mudança de nível de Fermi nas estruturas de banda reconstruídas.
“Os resultados do gated AHE também revelaram que a origem mais possível do AHE é a dispersão assimétrica e isso melhora ainda mais nossa compreensão sobre o kagome metal”, explica Guolin. “Mas ainda não observamos a transição supercondutor-isolante em nanoflakes de 40 nm.”
“Devemos tentar ainda mais fino CsV3Sb5 nanoflakes para explorar isso.”
Transição de supercondutor para ‘isolante com falha’ induzida por intercalação de prótons
A coexistência única de correlações eletrônicas e topologia de banda em AV3Sb5 permite investigar transições intrigantes desses estados correlacionados, como a transição supercondutor-isolante, uma transição de fase quântica geralmente sintonizada por distúrbios, campos magnéticos e gating elétrico.
Ao diminuir o número de camadas atômicas, a equipe deu mais passos para explorar as possíveis transições de fase quântica em CsV3Sb5.
“No começo, tentei diretamente alguns nanoflakes ultrafinos <10 nm", diz Cheng. "Observei que as temperaturas críticas da fase de supercondutividade diminuíram com o aumento da intercalação de prótons, mas não pude confirmar definitivamente que a supercondutividade desapareceu, pois ela ainda pode existir em temperaturas miliKelvin, onde não podemos chegar. Além disso, os dispositivos eram muito frágil quando tentei aumentar ainda mais a intercalação de prótons."
Então Cheng mudou a estratégia e lidou com os nanoflakes de 10~20nm mais grossos, além de experimentar diferentes materiais de eletrodo para buscar um melhor contato elétrico.
Essa estratégia teve sucesso. A equipe, surpreendentemente, observou que a temperatura crítica da fase CDW diminuiu e as curvas de resistência dependentes da temperatura exibem uma clara transição de supercondutor para isolador sob aumento da injeção de prótons.
“A intercalação de prótons introduziu a desordem e suprimiu a CDW e a coerência de fase supercondutora”, diz o autor colaborador A/Prof Lan Wang (também no RMIT). “E isso deu origem a uma transição supercondutor-isolante associada a pares de Cooper localizados e apresentando uma resistência de folha saturada atingindo até 106 ? para temperatura próxima de zero, apelidado de ‘isolante com falha’.”
“Nosso trabalho revela uma transição distinta de supercondutor-isolante bosônico impulsionado por desordem, descreve uma imagem global do gigante AHE e revela sua correlação com o CDW não convencional no AV3Sb5 família.”
“Esta transição supercondutor-isolante significativa e controlada eletricamente e o efeito Hall anômalo em kagome os metais devem inspirar mais investigações da intrigante física relevante, com a promessa de dispositivos nanoeletrônicos que economizam energia”.
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