Superconductivitate „rezurrectată”: cum UTe2 reapare sub câmpuri magnetice extreme într-un halou misterios

Sursa foto: Sciencedaily

Un fenomen neaşteptat în materialele superconductor

O formă neobişnuită de superconductivitate a fost descoperită şi explicată parţial în uraniu ditellurid (UTe2): electricitatea circulă fără rezistenţă doar când materialul este supus unor câmpuri magnetice extrem de puternice, condiţii care în mod obişnuit ar distruge superconductivitatea. Mai surprinzător, superconductivitatea dispare iniţial la intensificarea câmpului, apoi reapare dramatic la câmpuri şi mai puternice, fenomen denumit „faza Lazarus”.

Observaţii experimentale: dispariţie şi reîntoarcere la câmpuri puternice

Comportamentul lui UTe2 contravine așteptărilor uzuale: în majoritatea conductorilor supraconduncători, câmpurile magnetice slăbesc treptat superconductivitatea, iar peste o valoare critică aceasta este pierdută definitiv. În cazul UTe2, echipe de cercetători au arătat că materialul îşi pierde proprietatea superconductoare la câmpuri în jurul valorii de 10 Tesla, o valoare deja extremă, însă la câmpuri foarte mari, peste 40 Tesla, superconductivitatea revine.

Această revenire a fost observată pentru prima dată de echipe de la University of Maryland (UMD) şi de la National Institute of Standards and Technology (NIST) şi a atras atenţia comunităţii fizicienilor. Revenirea superconductivităţii depinde puternic de orientarea câmpului magnetic faţă de structura cristalină a materialului, ceea ce indică un efect de direcţionalitate foarte pronunţat.

Un halou superconductiv tridimensional

Prin măsurători sistematice, colaboratorii de la UMD şi NIST, coordonaţi şi cu participarea fizicianului Andriy Nevidomskyy de la Rice University, au cartografiat modul în care superconductivitatea de câmp înalt variază în funcţie de direcţie. Datele experimentale au arătat că regiunea superconductoare formează un halou tridimensional în jurul unui anumit ax din cristal, o formă toroidală asemănătoare unui gogoaşă care înconjoară axa b „dură” a cristalului.

Sylvia Lewin de la NIST, co-autoare principală a studiului, a descris rezultatul drept unul surprinzător şi frumos: „măsurătorile noastre au dezvăluit un halou superconductiv tridimensional care se înfăşoară în jurul axei b dure a cristalului.”

Modelul teoretic: o explicaţie fenomenologică

Pentru a explica aceste observaţii fără a se baza excesiv pe detalii microscopice incert determinate, Andriy Nevidomskyy a propus un model teoretic de natură fenomenologică. Abordarea se concentrează pe comportamentul de ansamblu al sistemului, mai degrabă decât pe mecanismele exacte la nivel microscopic care determină formarea perechilor de electroni (perechi Cooper).

Modelul reuşeşte să reproducă fidel datele experimentale, în special dependenţa neobişnuită de direcţie a superconductivităţii. Acesta arată cum orientarea câmpului magnetic faţă de cristal influenţează în mod esenţial supravieţuirea sau reapariţia superconductivităţii în UTe2.

Perechile Cooper cu proprietăţi magnético-orbitală

Studiul sugerează că perechile Cooper din acest material se comportă ca şi cum ar purta un moment cinetic, asemănător unui obiect aflat în rotaţie. Când este aplicat un câmp magnetic, acesta interacţionează cu mişcarea asociată perechilor, generând un efect direcţional care poate explica modelul halou observat. În termeni simpli, magnetismul şi mişcarea inerentă a perechilor Cooper se combină astfel încât, pentru anumite unghiuri şi intensităţi ale câmpului, superconductivitatea este suprimată, iar pentru altele reapare.

Metamagnetismul şi legătura cu superconductivitatea

Un fenomen experimental notabil semnalat de autori este tranziţia metamagnetică: o creştere bruscă a magnetizării probei la o anumită valoare a câmpului. Peter Czajka de la NIST, co-autor principal al studiului, a subliniat că superconductivitatea la câmpuri mari apare doar după ce amplitudinea câmpului a atins valoarea asociată acestei tranziţii metamagnetice, valoare care, la rândul ei, depinde puternic de unghi.

Încă există dezbateri între cercetători privind cauzele precise ale tranziţiei metamagnetice şi modul în care aceasta influenţează superconductivitatea. Modelul propus de Nevidomskyy oferă totuşi un cadru care ar putea clarifica această problemă deschisă, indicând că faptul că perechile Cooper poartă un moment magnetic este un rezultat-cheie care poate ghida investigaţiile viitoare.

Importanţa descoperirii şi direcţii viitoare

UTe2 a fost deja considerat un material promiţător în aria cercetărilor pentru calculul cuantic tolerant la erori, iar descoperirea acestor comportamente neobişnuite de superconductivitate la câmpuri extreme schimbă modul în care oamenii de ştiinţă privesc interacţiunea dintre magnetism şi superconductivitate în materiale neconvenţionale.

Cunoaşterea faptului că perechile Cooper pot purta un moment magnetic oferă un indiciu important privind natura „adezivului” (pairing glue) care leagă electronii în perechi în acest material, deşi natura exactă a acestui mecanism rămâne încă de elucidat. Întrebările rămase includ cum anume apare tranziţia metamagnetică şi în ce măsură diferite caracteristici cristaline şi de structură electronică determină forma haloului superconductiv şi sensibilitatea unghiulară extremă.

Echipa de cercetare şi suportul financiar

Studiul a fost realizat în colaborare între mai multe instituţii şi a inclus următorii cercetători:

• Corey Frank (NIST)
• Nicholas Butch (NIST)
• Hyeok Yoon (UMD)
• Yun Suk Eo (UMD)
• Johnpierre Paglione (UMD)
• Gicela Saucedo Salas (UMD)
• G. Timothy Noe II (Los Alamos National Laboratory)
• John Singleton (Los Alamos National Laboratory)
• Andriy H. Nevidomskyy (Rice University)
• Sylvia K. Lewin (NIST)
• Peter Czajka (NIST)

Finanţarea cercetării a fost asigurată de Departamentul de Energie al Statelor Unite şi de National Science Foundation.

Publicaţia şi referinţa ştiinţifică

Rezultatele au fost publicate în revista Science, într-un articol semnat de Sylvia K. Lewin, Peter Czajka, Corey E. Frank, Gicela Saucedo Salas, G. Timothy Noe II, Hyeok Yoon, Yun Suk Eo, Johnpierre Paglione, Andriy H. Nevidomskyy, John Singleton şi Nicholas P. Butch, sub titlul „High-field superconducting halo in UTe2”. Referinţa completă din jurnal este: Science, 2025; 389 (6759): 512, DOI: 10.1126/science.adn7673.

Pentru detalii suplimentare şi material de context puteţi consulta pagina de prezentare a ştirii: This superconductivity dies then comes back to life şi articolul publicat în Science disponibil prin DOI: 10.1126/science.adn7673.