Los físicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Han realizado con éxito mediciones de un superconductor a base de hierro en un régimen importante pero difícil de alcanzar donde las fluctuaciones cuánticas críticas dominan la física. Usando una nueva técnica de detección, mapearon con precisión la transición de fase cuántica, un fenómeno que se teoriza que está estrechamente acoplado a la superconductividad, en las profundidades del estado superconductor.

La innovadora configuración experimental, llamado magnetoscopio de vacancia de nitrógeno (NV), es muy sensible, prácticamente no invasivo, y más precisos que los utilizados anteriormente para explorar física similar en materiales superconductores.

"Este es un resultado verdaderamente fascinante en la ciencia de los superconductores:obtener una imagen clara de cómo la transición de fase cuántica coexiste con la superconductividad. Parece que la fase superconductora protege el comportamiento crítico cuántico de los efectos del desorden. ¡Esto es bastante notable!" dijo Prozorov, un físico del Laboratorio Ames. "A medida que continuamos estudiando otros materiales con esta nueva capacidad, ayudará a responder importantes preguntas teóricas sobre el origen de la superconductividad no convencional ".

El equipo utilizó el osciloscopio NV para medir con precisión la profundidad de penetración de Londres, que es la profundidad a la que un campo magnético penetra en un superconductor desde su superficie. Esta profundidad está directamente relacionada con la masa efectiva de electrones, que es la cantidad afectada por las fluctuaciones cuánticas y señala la existencia de una transición de fase cuántica. Midiendo sistemáticamente diferentes composiciones de un compuesto pnictida de hierro, Ba (Fe, Co) ₂ Como ₂ , cultivado en el laboratorio Ames por el grupo de investigación de Paul Canfield, El equipo de Prozorov pudo mapear la presencia de la transición de fase cuántica normalmente oculta bajo el domo de superconductividad, "a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto.

Prozorov dirige un equipo de científicos en su laboratorio de baja temperatura en el Laboratorio Ames, examinar los comportamientos intrigantes de los superconductores, e intentar desenredar cómo varios fenómenos cuánticos afectan su desempeño. Se especializan en el desarrollo de técnicas experimentales sensibles y de ultra alta precisión únicas para medir la óptica, firmas magnéticas y eléctricas de estos comportamientos. El visor NV fue construido desde cero en el Laboratorio Ames por el científico de planta Naufer Nusran y el estudiante graduado Kamal Joshi. Es un magnetómetro óptico que aprovecha el estado cuántico de un tipo particular de defecto atómico, llamados centros de nitrógeno vacante (NV), en diamante. Nusran también ideó la nueva forma de emplear los centros NV para medir el campo crítico más bajo que conduce a la profundidad de penetración de Londres.

"La profundidad de penetración de Londres es uno de los parámetros más fundamentales que describen los superconductores; básicamente te dice qué tan robusta es la superconductividad, ", dijo Prozorov." He estado midiendo esta cantidad utilizando diferentes técnicas durante la mayor parte de mi carrera de investigación y la detección de NV representa un avance significativo en la superconductividad experimental ".

Hace siete años, El laboratorio de Prozorov fue parte de una colaboración de investigación internacional que encontró la primera evidencia clara de que el punto crítico cuántico (QCP) sobrevivió en las profundidades del estado superconductor. El trabajo actual, utilizando enfoques novedosos, examina los sistemas superconductores con una cantidad sustancial de desorden. Juntos, Estos trabajos demuestran que la transición de fase cuántica y las fluctuaciones críticas no solo coexisten con la superconductividad, pero incluso puede estar protegido de los efectos del desorden. Los resultados son otra pista importante para resolver el misterio de la superconductividad basada en hierro.

"Todavía, hay mucho más por hacer, para explorar completamente la ciencia de los superconductores no convencionales en general. Para eso, Se tendrán que desarrollar métodos más nuevos y sofisticados de detección cuántica ", dijo Nusran. Los nuevos métodos de detección cuántica que pueden sondear las fluctuaciones cuánticas a nanoescala permitirían una mirada más profunda a las fases cuánticas competidoras y coexistentes en superconductores de alta temperatura. y muchos otros problemas de la ciencia de los materiales. "Estas nuevas capacidades finalmente arrojarán luz sobre las condiciones limitantes y la viabilidad de los superconductores y otros materiales cuánticos para aplicaciones tecnológicas".

La investigación se analiza con más detalle en el documento, "Transición de fase cuántica dentro de la cúpula superconductora de Ba (Fe _1-x Co _X ) ₂ Como ₂ de magnetometría óptica basada en diamantes "escrito por Kamal R. Joshi, Naufer Nusran, Makariy A. Tanatar, Kyuil Cho, Sergey L Bud'ko, Paul C Canfield, Rafael M. Fernandes, Alex Levchenko y Ruslan Prozorov; y publicado en el Nueva Revista de Física .