Dentro brevemente
- Os pesquisadores descobriram que supercondutores altamente desordenados, como os filmes de óxido de índio, passam por rápidas transições de fase quântica, desafiando as teorias tradicionais de transições graduais.
- As descobertas, que revelam uma queda acentuada na intensidade do superfluido em um nível crítico de desordem, têm implicações importantes para a computação quântica, especialmente no projeto de circuitos supercondutores estáveis e superindutores.
- A pesquisa destaca a necessidade de revisitar os modelos existentes de transições de fase quântica e explorar como a desordem influencia a supercondutividade em outros materiais.
Os pesquisadores descobriram que certos supercondutores desordenados exibem transições de fase repentinas, uma descoberta que desafia as teorias estabelecidas e pode ter um impacto na computação quântica.
Um estudo publicado na Nature por pesquisadores que investigam filmes de óxido de índio – um supercondutor altamente desordenado – mostra que sua transição de supercondutor para um estado protetor não é gradual, como tradicionalmente se pensa, mas repentina. Esta transição repentina, conhecida como transição de fase quântica de primeira ordem, contrasta com a transição contínua de segunda ordem geralmente observada em supercondutores.
Medições importantes revelaram uma queda acentuada na densidade do superfluido – que é uma propriedade que mostra a força da região que resiste à distorção de fase – em níveis críticos de ruptura. Curiosamente, a temperatura crítica destes filmes, onde a supercondutividade se rompe, não depende mais do potencial de emparelhamento de elétrons, mas sim da supercondutividade. Este comportamento corresponde ao regime de pseudogap, onde pares de elétrons estão presentes, mas carecem da ligação necessária para a supercondutividade.
“Essa transição descontínua lança luz sobre o papel das interações repulsivas entre os pares de Cooper e a subsequente competição entre a supercondutividade e o vidro isolante do par de Cooper”, escreveram os pesquisadores no estudo. “Além disso, mostramos que a temperatura crítica dos filmes não está mais relacionada à amplitude de acoplamento, mas coincide com a rigidez dinâmica, correspondente ao regime de pseudogap pré-formado. Nossas descobertas levantam novas questões sobre o papel da desordem nas transições de fase quântica e seu efeito nas superindutâncias em circuitos quânticos. ”
Combinado com computação quântica
Esta pesquisa tem implicações diretas para o hardware de computação quântica, particularmente no projeto de circuitos supercondutores. Os supercondutores fazem parte dos computadores quânticos, fornecendo a base para qubits e componentes como superindutores. A transição de fase repentina observada pode informar como as coisas são projetadas para melhorar a estabilidade e o desempenho dos sistemas quânticos.
Materiais que têm baixa densidade de superfluido, mas retêm a estrutura dos pares de Cooper, como os do estudo, também poderiam ajudar a criar superindutores altamente eficientes. Isto é necessário para proteger os qubits de perturbações externas e para melhorar os tempos de coerência, que são importantes para aplicações práticas de computação quântica.
Controlando Condições Artificiais
Os pesquisadores estudaram filmes finos de óxido de índio amorfo, ajustando seu nível de desordem controlando suas condições de fabricação. A equipe empregou espectroscopia de microondas avançada para medir o espectro plasmônico de ressonadores supercondutores feitos desses filmes. Estas medições permitiram uma derivação precisa da rigidez do superfluido e seu comportamento sob perturbações crescentes.
Eles notaram que à medida que a desordem aumentava, a viscosidade do superfluido apresentava uma diminuição repentina em vez da diminuição gradual prevista pelas teorias existentes. Este salto mostrou uma quebra da junção macroscópica, que marca a transição do estado supercondutor para o estado isolante.
Limitações
Embora o estudo forneça provas convincentes de mudanças de primeira ordem, levanta novas questões sobre os processos subjacentes. O papel das interações repulsivas entre os pares de Cooper e a evolução da região vítrea do par de Cooper – a região onde os pares de elétrons não podem se mover – não é totalmente compreendido. Mais investigações sobre os detalhes mais sutis dessas interações são necessárias para desenvolver teorias mais abrangentes.
A pesquisa também se limitou ao óxido de índio, um tipo de supercondutor desordenado. Se mudanças semelhantes ocorrem em outros materiais ainda é uma questão em aberto.
Direções futuras
As descobertas destacam a necessidade de revisitar modelos estabelecidos de transições de fase quântica, especialmente em sistemas desordenados. Trabalhos futuros podem testar a aplicabilidade desses resultados a outros supercondutores e investigar interações entre propriedades físicas, desordem e estados quânticos.
Além disso, a pesquisa enfatiza o potencial de desenvolvimento de elementos de circuitos quânticos. Os superindutores, por exemplo, podem se beneficiar de uma compreensão mais profunda de como a desordem influencia a estabilidade do superfluido e as transições de fase.
Pesquisadores e Instituições
Esta pesquisa foi realizada por Thibault Charpentier, David Perconte, Sébastien Léger, Kazi Rafsanjani Amin, Florent Blondelle, Frédéric Gay, Olivier Buisson, Nicolas Roch e Benjamin Sacépé da Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Institut Néel; Lev Ioff do Google Research, EUA; Anton Khvalyuk e Mikhail Feigel'man da LPMMC, Université Grenoble Alpes; Igor Poboiko, do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe; e Mikhail Feigel'man, que também são afiliados ao CENN Nanocenter e ao Jožef Stefan Institute.
