Cercetători au răsucit un superconductor misterios și au obținut un rezultat surprinzător

Sursa foto: Sciencedaily

Un experiment conceput la Kyoto University oferă un rezultat neașteptat despre unul dintre cele mai discutate materiale din fizica stării solide: strontiu-ruteniu, notat Sr2RuO4. Materialul, cunoscut pentru proprietatea sa de a conduce electricitate fără rezistență la temperaturi foarte scăzute, a generat decenii de dezbateri despre natura stării sale superconductoare. Cercetătorii care au supus cristalele ultr subțiri ale acestui compus la deformări de forfecare au descoperit că schimbările în temperatura de tranziție superconductoare sunt practic neglijabile, ceea ce răstoarnă o serie de teorii acceptate anterior și deschide o nouă enigmă științifică.

Context: un mister vechi despre un material neobișnuit

Strontiu-ruteniu, identificat ca un superconductor încă din 1994, a fost, de atunci, unul dintre cele mai atent studiate exemple de superconductori neconvenționali. Deși fenomenul de superconductivitate — capacitatea unor materiale de a permite curentului electric să circule fără rezistență la temperaturi extrem de scăzute — este cunoscut de mult, comportamentul electronic al unor compuși rămâne dificil de explicat. Pentru Sr2RuO4, întrebarea centrală care persistă este cum se împerechează electronii în starea superconductoare și ce simetrie guvernează acest proces; răspunsul influențează direct modelele teoretice despre natura superconductivității în acest material.

Metode de investigare prin deformare

O abordare utilizată de fizicieni pentru a sondă natura stării superconductoare este observarea modului în care temperatura de tranziție superconductoare, Tc, răspunde la tensiuni aplicate cristalelor. Diferitele stări superconductoare pot reacționa în moduri distincte atunci când cristalul este întins, comprimat sau răsucit. În trecut, investigații bazate pe măsurători cu ultrasunete au sugerat că Sr2RuO4 ar putea găzdui o stare superconductoare cu două componente. Această formă mai complexă a stării ar putea genera efecte atipice, cum ar fi câmpuri magnetice interne sau coexistenta mai multor regiuni superconductoare în aceeași probă; un astfel de tablou ar fi așteptat să răspundă puternic la forfecare.

Experimentul de forfecare realizat la Kyoto

O echipă de cercetători de la Kyoto University a construit un experiment dedicat pentru a testa direct cuplajul dintre forfecare și superconductivitate în Sr2RuO4. Printr-un protocol de precizie, cercetătorii au conceput o metodă care permite introducerea a trei tipuri diferite de deformări prin forfecare în cristale extrem de subțiri ale materialului. În termeni intuitivi, forfecarea presupune deplasarea părților cristalului lateral unele față de altele, analog unui pachet de cărți alunecate între ele.

Pentru a monitoriza și controla aceste deformări, echipa a folosit imagistică optică de înaltă rezoluție, capabilă să măsoare gradul de forfecare cu o precizie foarte fină; măsurătorile au fost realizate la temperaturi cât de mici ca 30 kelvin (−243 °C). Această combinație de control al forfecării în probe ultra-subțiri și monitorizare optică precisă a reprezentat coloana vertebrală a investigației.

Un rezultat contrar așteptărilor

Concluzia principală a experimentului a fost izbitoare: temperatura de tranziție superconductoare a Sr2RuO4 a rămas practic neschimbată în fața forfecărilor aplicate. Orice variație observabilă a lui Tc a fost mai mică de 10 millikelvin pe procent de forfecare, o magnitudine atât de mică încât, în practică, rezultatul este prea mic pentru a putea fi măsurat cu încredere în contextul așteptărilor teoretice legate de o stare cu două componente.

Acest răspuns slab sau absent la forfecare înseamnă că tipurile de teorii care preziceau un cuplaj puternic între forfecare și superconductivitate sunt puternic restrânse de datele experimentale. În termeni practici, observațiile excludeau mai multe ipoteze anterioare și orientau interpretarea către posibilitatea ca Sr2RuO4 să fie descris de o stare superconductoare cu o singură componentă sau, alternativ, să corespundă unei forme deosebit de neconvenționale, încă neexplorate pe deplin.

Implicații pentru teoriile existente și întrebări noi

Rezultatul pune în lumină o contradicție între metodele experimentale anterioare și noua abordare bazată pe deformare directă. În timp ce experimentele cu ultrasunete indicau un răspuns semnificativ la forfecare, măsurătorile directe ale forfecării asupra probelor subțiri au arătat aproape niciun efect. Această discrepanță constituie acum o întrebare deschisă importantă: de ce metode experimentale diferite conduc la concluzii atât de divergente despre același material?

Autorii subliniază că a explica această contradicție va fi o sarcină esențială pentru comunitatea științifică. Deși noile date restrâng consistent spațiul teoretic alinterpretărilor viabile pentru Sr2RuO4, ele nu oferă încă o descriere finală a stării superconductoare. Există astfel o dublă consecință: pe de o parte, teoria devine mai clară prin eliminarea unor opțiuni; pe de altă parte, apare o enigmă nouă, legată de originea diferențelor dintre tehnicile experimentale.

Citat din echipa de cercetare

Giordano Mattoni, autorul principal al studiului și afiliat la Toyota Riken – Kyoto University Research Center, a comentat importanța lucrării: „Studiul nostru reprezintă un pas major către rezolvarea uneia dintre cele mai îndelungate enigme din fizica materiei condensate.” Această afirmație reflectă atât încrederea în calitatea experimentului, cât și conștientizarea faptului că cercul întrebărilor abia se deschide pentru discuții ulterioare.

Relevanța mai largă a metodei de control a forfecării

Pe lângă implicațiile directe pentru înțelegerea Sr2RuO4, metoda dezvoltată de cercetători oferă un instrument experimental care poate fi util în studiul altor superconductori cu potențial comportament multi-component. Echipa menționează în mod explicit că abordarea ar putea fi aplicată la materiale precum UPt3, despre care se suspectează existența unor stări superconductoare complexe. Metoda ar putea, de asemenea, să ajute la investigarea sistemelor care prezintă tranziții de fază complicate, oferind un mod de a „deforma” și astfel deconstrui răspunsurile macroscopice ale materialelor la perturbări simetrice specifice.

Direcții viitoare fără speculații nefondate

Autorii sugerează că aplicarea acestei tehnici la alte materiale ar putea clarifica dacă răspunsul slab la forfecare este o particularitate a Sr2RuO4 sau un fenomen mai general, întâlnit în alte superconductori neconvenționali. Explicația diferențelor între rezultatele obținute prin ultrasunete și cele prin forfecare directă rămâne însă de elucidat prin studii comparative atent controlate.

Detalii bibliografice și resurse

Lucrarea principală care raportează aceste rezultate a fost semnată de Giordano Mattoni, Thomas Johnson, Atsutoshi Ikeda, Shubhankar Paul, Jake Bobowski, Manfred Sigrist și Yoshiteru Maeno și a fost publicată în revista Nature Communications în 2025 sub titlul „Direct evidence for the absence of coupling between shear strain and superconductivity in Sr2RuO4”. Pentru referință, citarea include DOI-ul aferent, iar textul studiului oferă detalii despre metodologia experimentului și analiza rezultatelor.

• Giordano Mattoni
• Thomas Johnson
• Atsutoshi Ikeda
• Shubhankar Paul
• Jake Bobowski
• Manfred Sigrist
• Yoshiteru Maeno

Pentru cititorii care doresc accesul direct la sursele citate, textul principal al relatării poate fi consultat la pagina editării jurnalistice care a comunicat rezultatele, iar articolul științific complet este disponibil prin identificatorul DOI.

Surse citate în relatare: ScienceDaily — Kyoto University: Scientists twisted a mysterious superconductor and got a shocking result și DOI: 10.1038/s41467-025-67307-1.

O problemă deschisă pentru comunitatea științifică

Rezultatul raportat de echipa de la Kyoto University nu încheie disputa asupra naturii superconductivității în Sr2RuO4; dimpotrivă, marchează începutul unui nou ciclu de investigații. Descoperirea că forfecarea aplicată direct la probe subțiri nu schimbă, în mod măsurabil, temperatura de tranziție, forțează teoreticienii și experimentatorii să reevalueze ipotezele anterioare și să conceapă experimente care să pună cap la cap observațiile contradictorii. Indiferent de direcția în care se va îndrepta cercetarea, noul lucru clar este că ansamblul de tehnici de măsurare — de la ultrasunete la control mecanic direct al deformărilor — va trebui utilizat complementar pentru a obține o imagine coerentă a fenomenelor în joc.

Pe termen mediu, înțelegerea mai bună a legăturii (sau lipsei acesteia) dintre simetria stării superconductoare și răspunsul la forfecare va contribui nu doar la rezolvarea unui caz particular, ci la definirea principiilor care guvernează superconductivitatea neconvențională în general. Până atunci, Sr2RuO4 rămâne un exemplu remarcabil al modului în care un singur material poate provoca revizuiri profunde ale ideilor acceptate și poate stimula dezvoltarea unor instrumente experimentale noi, precise și ingenioase.