Figura esquemática de la sonda de cuatro puntos utilizada para analizar las propiedades de transporte de electrones en vacío ultra alto. El superconductor es una capa unitaria (UL) NbSe2 cultivada en un grafeno bilyer (BLG) sobre un sustrato de SiC. Crédito: Revisión física B
La aplicación de campos magnéticos suficientemente grandes da como resultado la interrupción de los estados superconductores en los materiales, incluso a temperaturas drásticamente bajas, convirtiéndolos así directamente en aislantes, o eso se pensaba tradicionalmente. Ahora, científicos del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), la Universidad de Tokio y la Universidad de Tohoku informan curiosas transiciones de varios estados de estos superconductores en las que cambian de superconductor a metal especial y luego a aislante.
Caracterizados por su cero resistencia eléctrica, o alternativamente, su capacidad para expulsar completamente los campos magnéticos externos, Los superconductores tienen perspectivas fascinantes tanto para la física fundamental como para aplicaciones, por ejemplo, bobinas superconductoras para imanes. Este fenómeno se entiende considerando una relación altamente ordenada entre los electrones del sistema. Debido a una coherencia en todo el sistema, los electrones forman pares acotados y fluyen sin colisiones como colectivo, resultando en un estado de conducción perfecto sin disipación de energía. Sin embargo, al introducir un campo magnético, los electrones ya no pueden mantener su relación coherente, y la superconductividad se pierde. Para una temperatura dada, el campo magnético más alto bajo el cual un material permanece superconductor se conoce como campo crítico.
A menudo, estos puntos críticos están marcados por transiciones de fase. Si el cambio es brusco como en el caso del derretimiento del hielo, es una transición de primer orden. Si la transición tiene lugar de manera gradual y continua por el crecimiento de las fluctuaciones que impulsan el cambio que se extienden a todo el sistema, se llama transición de segundo orden. El estudio de la ruta de transición de los superconductores cuando se someten al campo crítico puede proporcionar información sobre los procesos cuánticos involucrados y nos permite diseñar superconductores (SC) más inteligentes para su aplicación a tecnologías avanzadas.
Diagrama de fase dibujado esquemáticamente de estados relacionados con la superconductividad en NbSe2 ultradelgado. CAROLINA DEL SUR; superconductor, BM; Bose metal, EN S; aislante, B1, B2, Bc2; campos magnéticos en los límites entre las fases. Crédito: Revisión física B
Curiosamente, Los superconductores bidimensionales (2-D SC) son los candidatos perfectos para estudiar este tipo de transiciones de fase y uno de estos nuevos candidatos es una capa monounitaria de NbSe. 2 . Debido a que una dimensión (espesor) más pequeña del superconductor implica un número menor de posibles socios para que los electrones formen pares superconductores, la perturbación más pequeña puede establecer una transición de fase. Es más, 2-D SC es relevante desde la perspectiva de las aplicaciones en la electrónica de pequeña escala.
En tales materiales, elevar el campo magnético aplicado más allá de un valor crítico conduce a un estado borroso en el que el campo magnético penetra en el material, pero la resistencia sigue siendo mínima. Es solo al aumentar aún más el campo magnético que la superconductividad se destruye y el material se convierte en un aislante ordinario. Esto se denomina transición de fase de superconductor a aislante. Debido a que este fenómeno se observa a temperaturas muy bajas, las fluctuaciones cuánticas en el sistema se vuelven comparables a, o incluso más grande que, las clásicas fluctuaciones térmicas. Por lo tanto, esto se llama transición de fase cuántica.
Comprender la ruta de la transición de fase, así como el estado difuso o mixto que existe entre las intensidades de campo críticas en el NbSe. 2 superconductor ultrafino, un grupo de investigadores midió la magnetorresistencia del material (ver Fig.1), o la respuesta de la resistividad de un SC cuando se somete a un campo magnético externo. El profesor Ichinokura líder dice:"Con una sonda de cuatro puntos, estimamos el campo magnético crítico en los respectivos límites de fase cuántica en el NbSe monocapa 2 . "(ver Fig. 2)
Descubrieron que a medida que se aplica un pequeño campo magnético al SC, el flujo coherente de electrones se rompe, pero los pares de electrones aún permanecen. Esto se debe al movimiento de los vórtices; los vórtices en movimiento crean una resistencia finita. El origen de esta resistencia mínima se interpretó como que el material entraba en un estado especial de metal Bose (BM), que cambió a un estado aislante al aumentar aún más el campo magnético. El equipo también encontró que la transición entre los estados normal y SC alrededor de la temperatura crítica fue impulsada por fluctuaciones cuánticas, también refleja una vía de transición múltiple similar. El profesor Ichinokura dice:"El análisis de escala basado en el modelo del metal Bose explicó la transición de dos pasos, sugiriendo la existencia de un estado fundamental bosónico ".
Este estudio refuerza las afirmaciones teóricas de las transiciones multifase en superconductores gracias a la muestra más delgada de espesor a escala atómica, y amplía aún más los límites de la investigación.
