Las transiciones de fase en diferentes estados de la materia, como la condensación de gases en líquidos o la transición de un metal normal a un estado superconductor, se pueden describir utilizando la teoría de ruptura de simetría de Ginzburg-Landau. Sin embargo, esta teoría ya no es válida para transiciones de fase en el límite bidimensional.
Las transiciones de fase bidimensionales son impulsadas por defectos topológicos conocidos como transiciones de fase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) (Kosterlitz y Thouless recibieron el Premio Nobel de Física en 2016 por este descubrimiento). Los defectos topológicos en los sistemas superconductores se denominan vórtices. Para un sistema superconductor bidimensional infinitamente grande a baja temperatura, los pares vórtice-antivórtice con vorticidad opuesta están unidos y el sistema se encuentra en un estado superconductor estable.
A medida que aumenta la temperatura, los pares vórtice-antivórtice se vuelven inestables debido a las fluctuaciones térmicas, y la atracción entre el vórtice y el antivórtice dentro de los pares se debilita gradualmente hasta que se separan en vórtices y antivórtices libres. Este proceso conduce a la transición de fase BKT.
La firma irrefutable de esta transición es un salto en la densidad del superfluido a la temperatura de transición. Sin embargo, el tamaño característico de los vórtices en el límite bidimensional es significativamente mayor que en el espacio tridimensional. Cuando el tamaño de la muestra se acerca al tamaño característico de los vórtices (o cuando la muestra tiene faltas de homogeneidad), se borrará el salto en la densidad del superfluido. Esto hace que sea muy difícil determinar la transición de fase BKT en superconductores bidimensionales en muestras realistas.
Superconductores de cuprato de alta temperatura, como el Bi2 Señor2 CaCu2 O8+δ (Bi2212), con una estructura en capas, han sido ampliamente estudiados como superconductores no convencionales. La conexión entre las correlaciones de carga y la superconductividad en estos materiales sigue siendo un gran enigma en la física de la materia condensada. La monocapa Bi2212 se fabricó con éxito recientemente. Pero las técnicas de medición convencionales no han detectado ningún signo de la transición de fase BKT de este superconductor bidimensional.
En cambio, la monocapa exhibe características muy similares a las de los materiales a granel, incluida la temperatura de transición, el pseudoespacio, la onda de densidad de carga, etc. Esto desconcierta aún más la relación entre las transiciones de fase superconductora y la correlación de carga en este sistema.
Por lo tanto, la búsqueda de evidencia de la transición de fase BKT en la monocapa Bi2212 y la aclaración de las diferencias y conexiones entre las transiciones de fase superconductoras a través de la dimensionalidad son importantes para comprender este material.
El Departamento de Física de la Universidad de Fudan, en colaboración con los equipos de investigación dirigidos por los profesores Yihua Wang, Yuanbo Zhang y Yang Qi, utilizaron microscopía de barrido SQUID para investigar la respuesta magnética local de Bi2212 desde monocapas hasta capas gruesas a través de la transición de fase superconductora. En las monocapas, aparece un pico paramagnético positivo en la magnetización dentro del rango de temperatura por debajo de la temperatura crítica, y la posición del pico oscila con el flujo magnético que pasa a través de la muestra en unidades del cuanto de flujo.
Este fenómeno, conocido como efecto paramagnético de Meissner, ocurre en el estado superconductor que exhibe el efecto Meissner. Además, encontraron que el ancho del pico paramagnético aumenta con la temperatura, persistiendo hasta la temperatura de transición. Estas características indican una coherencia de fase estable en la región crítica y un efecto de detección de plasma que aumenta gradualmente debido a la separación de pares vórtice-antivórtice, consistente con la transición de fase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) inducida por excitaciones de vórtice.
La aparición de picos de susceptibilidad paramagnética en Bi2212 multicapa y de capa gruesa sugiere que la transición superconductora de Bi2212 poco dopado es una transición BKT generalizada con acoplamiento entre capas. Este resultado no solo identifica una característica magnética importante de la transición BKT en sistemas finitos, sino que también aclara la relación homóloga entre las transiciones superconductoras de monocapa y Bi2212 en masa, proporcionando pistas para comprender el pseudoespacio en la región poco dopada de los superconductores de cuprato.
Este trabajo está publicado en la National Science Review. bajo el título "Efecto Meissner paramagnético oscilante y transición Berezinskii-Kosterlitz-Thouless en Bi2 poco dotado Señor2 CaCu2 O8+δ ".
