La dependencia de la temperatura del cuadrado inverso de la profundidad de penetración magnética, que es proporcional a la densidad de superfluidos, medido utilizando el método de oscilador de diodo túnel. Las líneas muestran ajustes a los datos usando varios modelos, donde se puede ver que el modelo de onda s con un espacio completamente abierto no concuerda con los datos, pero el modelo nodal 's + p' puede describir bien los resultados. Crédito:Shang et al.
En la gran mayoría de los materiales superconductores, Los pares de Cooper tienen lo que se conoce como paridad uniforme, lo que esencialmente significa que su función de onda no cambia cuando los electrones intercambian coordenadas espaciales. En cambio, Se ha descubierto que algunos superconductores no convencionales contienen pares de Cooper de paridad impar. Esta calidad hace que estos materiales no convencionales sean particularmente prometedores para las aplicaciones de computación cuántica.
Estudios pasados han predicho que los superconductores nocentrosimétricos, que tienen una estructura cristalina sin centro de inversión, podría exhibir propiedades únicas e inusuales. En años recientes, Los superconductores nocentrosimétricos se han convertido en un tema de investigación popular debido a la estructura de los pares de Cooper contenidos en ellos. que tienen una mezcla de paridad par e impar.
CaPtAs es un nuevo superconductor nocentrosimétrico descubierto por investigadores de la Universidad de Zhejiang. Junto con científicos del Paul Scherrer Institut y otros institutos de todo el mundo, Estos investigadores han llevado a cabo recientemente un estudio que investiga la superconductividad no convencional en este compuesto. Su papel publicado en Cartas de revisión física , ofrece evidencia de que en su estado superconductor, CaPtAs exhibe simultáneamente superconductividad nodal y simetría de inversión de tiempo rota (TRS).
"Se sabía que la estructura cristalina de los CaPtA no era centrífuga, y por lo tanto, pensamos que sería interesante determinar si también es un superconductor, "Huiqiu Yuan, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "En un artículo publicado a principios de este año, informamos que CaPtAs es de hecho un superconductor no centrosimétrico, que se convierte en superconductor por debajo de 1,5 K. También vimos indicios de propiedades superconductoras inusuales, a saber, una brecha superconductora nodal ".
Las observaciones recopiladas en su trabajo anterior inspiraron a Yuan y sus colegas a recopilar mediciones avanzadas que les permitirían examinar las propiedades superconductoras no convencionales de los CaPtAs con más profundidad. El objetivo clave de su estudio reciente fue determinar si cuando CaPtAs está en su estado superconductor, la simetría de inversión del tiempo se rompe.
Los investigadores también midieron la profundidad de penetración magnética del superconductor nocentrosimétrico a temperaturas muy bajas. para comprender mejor la estructura de su brecha superconductora. Más específicamente, querían determinar si la brecha superconductora del material presentaba los llamados 'nodos, "puntos en los que la amplitud de la brecha es igual a cero.
"En nuestro estudio, la evidencia de la ruptura de la simetría de inversión en el tiempo provino del uso de la técnica de relajación / rotación de espín muón (μSR), mientras que la evidencia de superconductividad nodal provino tanto de μSR, el método del oscilador de diodos de túnel (TDO), así como el calor específico, "Dijo Yuan.
La relajación / rotación del espín del muón (μSR) es un método poderoso para medir con precisión los campos magnéticos dentro de un material, que utiliza anti-muones cargados positivamente como sonda. Una característica de la ruptura de la simetría de inversión del tiempo en un superconductor es que aparecen espontáneamente campos magnéticos muy pequeños cuando el superconductor se enfría a su temperatura crítica. μSR es una de las pocas técnicas existentes lo suficientemente sensibles como para detectar campos magnéticos tan pequeños dentro de los materiales.
"Implantamos los muones con polarización de espín en el superconductor, Tian Shang del Paul Scherrer Institut explicó:“Los muones positivos se generan en instalaciones de medición especializadas al chocar un haz de protones con un objetivo de carbono. Nuestros experimentos de μSR se realizaron en el Instituto Paul Scherrer en Suiza ".
Los muones son partículas elementales altamente inestables que se desintegran rápidamente, exhibiendo una vida media de 2.2μs, en un positrón y dos neutrinos. El giro de un muón generalmente se ve afectado por campos magnéticos dentro de un material. Por lo tanto, La implantación de muones dentro de un material permite a los investigadores reconstruir la naturaleza de estos campos magnéticos. simplemente midiendo la distribución de positrones emitidos a lo largo del tiempo.
"En particular, normalmente se cuenta el número de positrones en los extremos opuestos de la muestra, y cómo la diferencia entre estos números, la 'asimetría, "los cambios a lo largo del tiempo se pueden utilizar para detectar los diminutos campos magnéticos adicionales cuando se rompe la simetría de inversión del tiempo, "Dijo Shang.
El término físico 'superconductividad nodal' se refiere a la naturaleza de la brecha de energía dentro de un superconductor, que es la energía umbral requerida para romper un par de Cooper. En superconductores nodales, esta brecha de energía es cero para los pares de Cooper que se mueven en ciertas direcciones. Esto significa que la energía térmica puede romper los pares de Cooper incluso a temperaturas muy bajas.
La asimetría en función del tiempo de las mediciones de relajación de espín muón de CaPtAs en campo cero (ZF) y un pequeño campo aplicado a lo largo de la dirección de espín muón inicial (LF). La asimetría ZF disminuye más rápidamente con el tiempo por debajo de la transición superconductora a 0.02 K que a 2.5 K, lo que muestra que hay campos magnéticos adicionales que emergen en el estado superconductor, que es una firma de simetría de inversión de tiempo rota. Crédito:Shang et al.
La superconductividad nodal se puede detectar contando la cantidad de pares de Cooper dentro de un material. Si el número de pares de Cooper dentro de un superconductor continúa aumentando a medida que la temperatura desciende muy por debajo de la temperatura crítica del superconductor, se puede esperar que el material presente una superconductividad nodal.
"Medimos la profundidad de penetración magnética de los CaPtAs en función de la temperatura hasta temperaturas muy bajas (menos de 0,1 K) utilizando dos métodos, a partir del cual es posible determinar cómo cambia el número de pares de Cooper con la temperatura, "Michael Smidman de la Universidad de Zhejiang dijo." Un método para hacer esto es μSR, donde se aplica un campo magnético al material. Dado que CaPtAs es un superconductor de tipo II, el campo penetrará en el material a través de líneas de flujo magnético para formar una red de vórtice y la distribución de estas líneas de flujo se puede detectar utilizando μSR. La distribución depende de la profundidad de penetración magnética, por lo que la cantidad de pares de Cooper es fácil de determinar ".
Yuan y sus colegas también utilizaron una herramienta de medición adicional conocida como oscilador de diodo de túnel (TDO). Los TDO son instrumentos muy sensibles para medir la dependencia de la temperatura de la profundidad de penetración magnética.
Esencialmente, los investigadores colocaron CaPtAs en una bobina, que forma parte de un circuito LC. La corriente en esta bobina genera un campo magnético muy pequeño que no puede penetrar profundamente en el superconductor debido al llamado efecto Meissner. sin embargo, todavía puede alcanzar una cierta distancia por debajo de su superficie.
"Esta distancia se caracteriza por una cantidad conocida como profundidad de penetración magnética, "Yuan explicó." Si la profundidad de penetración del superconductor cambia con la temperatura, entonces la inductancia de la bobina también cambia, y esto se puede detectar midiendo el cambio de la frecuencia de resonancia del circuito LC ".
Al aplicar estas técnicas a los CaPtAs superconductores, los investigadores reunieron pruebas de su superconductividad nodal. Más específicamente, cuando calcularon el número de pares de Cooper en el material, encontraron que sus resultados podrían explicarse por modelos en los que la brecha en el superconductor es nodal.
"Esto fue particularmente evidente por el hecho de que a medida que bajaba la temperatura, la densidad de superfluidos siguió aumentando, ", Dijo Smidman." Si CaPtAs fuera un superconductor completamente la densidad de superfluidos se saturaría a bajas temperaturas ".
Si bien muchos investigadores predijeron previamente la presencia de características superconductoras inusuales en superconductores no centimétricos, esto no siempre se confirmó experimentalmente. Los estudios anteriores identificaron un puñado de superconductores magnéticos no centrífugos con una superconductividad que difiere claramente de los mecanismos convencionales de electrones y fonones descritos por la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), que se manifestó en fenómenos físicos inusuales. Sin embargo, Se encontró que muchos superconductores nocentrosimétricos sin iones magnéticos exhibían propiedades similares a sus contrapartes centrosimétricas convencionales.
"En algunos casos, La simetría de inversión de tiempo rota se encuentra en superconductores nocentrosimétricos, sin embargo, sus otras propiedades siguen siendo muy parecidas a los superconductores convencionales, Yuan dijo. En particular, generalmente tienen huecos superconductores completamente abiertos. Nuestros hallazgos proporcionan evidencia de superconductividad nodal y ruptura de simetría de inversión de tiempo en CaPtAs, y así permitirnos trazar un vínculo entre lo que en general habían sido tipos claramente diferentes de superconductores nocentrosimétricos ".
Yuan y sus colegas encontraron que la superconductividad nodal en CaPtAs se asemeja a la observada en superconductores magnéticos nocentrosimétricos. Esto significa que CaPtAs podría ser un candidato principal para investigar el emparejamiento mixto singlete-triplete que uno esperaría encontrar en estos sistemas.
El estudio también ofrece información valiosa sobre los posibles mecanismos detrás de la ruptura de TRS en una amplia gama de superconductores. En el futuro, otros equipos de investigación podrían inspirarse en su trabajo y utilizar CaPtA para investigar los mecanismos de superconductividad topológica y TRS.
"Aunque tenemos evidencia de un estado superconductor inusual en CaPtA con superconductividad nodal y simetría de inversión de tiempo rota, La estructura detallada de la brecha superconductora y los mecanismos subyacentes que dan lugar a estos comportamientos aún deben determinarse. ", Agregó Yuan." En nuestros próximos estudios, estamos interesados en identificar una forma específica de emparejamiento superconductor que pueda explicar ambos resultados, y luego comprender a nivel microscópico qué tienen los CaPtAs que provocan esta nueva superconductividad. También nos gustaría determinar si la superconductividad topológica se puede realizar en CaPtAs ".
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