Átomos
de nióbio e nitrogênio em um filme supercondutor ultrafino que ajudaram
pesquisadores do MIT
a descobrirem uma lei universal da supercondutividade. Imagem: Yachin Ivry.
Descrição
matemática da relação entre espessura, temperatura e resistividade pode
estimular avanços
Pesquisadores do MIT
descobriram uma nova relação matemática entre a espessura do material, a temperatura
e a resistência elétrica que parece válida para todos os supercondutores. Eles
descreveram suas descobertas na revista Physical
Review B.
O
resultado pode lançar luz sobre a natureza da supercondutividade e também
pode levar a melhorias na engenharia de circuitos supercondutores para
aplicações em computação quântica e computação de potência ultrabaixa.
“Fomos capazes de
usar esse conhecimento para fazer dispositivos de área maior, que não eram
possíveis de construir anteriormente, e o rendimento dos dispositivos aumentou
significativamente”, diz Yachin Ivry, um pós-doc do MIT.
Supercondutores são materiais que, em
temperaturas próximas do zero absoluto, apresentam nenhuma resistência elétrica.
Isto significa que é preciso pouquíssima energia para induzir uma corrente
elétrica. Um único fóton irá fazer o truque, é por isso que eles são úteis como
fotodetectores quânticos. Um chip de computador construído a partir de
circuitos supercondutores consumiria, em princípio, um centésimo da energia de
um chip convencional.
“Filmes finos são
cientificamente interessantes, porque eles permitem que você obtenha mais de perto
o que nós chamamos de transição supercondutora-isolante”, diz Ivry. “A supercondutividade
é um fenômeno que depende do comportamento coletivo dos elétrons. Então, se
você vai a dimensões cada vez menores, você obtém o início do comportamento
coletivo”.
Especificamente,
Ivry estuda o nitreto de nióbio, um material que tem uma temperatura crítica
relativamente elevada. Mas, como a maioria dos supercondutores, ele tem uma
temperatura crítica mais baixa quando depositado em filmes finos nos quais se
baseiam os nanodispositivos.
Trabalho
teórico anterior tinha caracterizado a temperatura crítica do nitreto de nióbio
como uma função da espessura da película ou da sua resistividade medida à
temperatura ambiente. Mas nem a teoria parecia explicar os resultados que Ivry
estava obtendo. “Vimos
grande dispersão e sem tendência clara”, diz ele. “Não fazia sentido,
porque nós crescemos os filmes em laboratório, nas mesmas condições”.
Assim, os
pesquisadores realizaram uma série de experimentos em que eles mantinham
constantes ou a espessura ou a ‘resistência superficial’, a resistência do
material por unidade de área, enquanto variavam outro parâmetro. Eles, então,
mediram as alterações na temperatura crítica. Um claro padrão emergiu: espessura
vezes temperatura crítica igual a uma constante (A), dividido pela resistência
da folha elevada a uma potência específica (B).
Após
derivar a fórmula, Ivry comparou com outros resultados descritos na literatura.
Porém, seu entusiasmo inicial evaporou-se com o primeiro artigo consultado.
Embora a maioria dos resultados relatados concorde perfeitamente com sua
fórmula, dois deles eram dramaticamente errados. Em seguida, um colega que
estava familiarizado com o artigo apontou que seus autores tinham reconhecido
em uma nota de rodapé que as duas medidas podiam refletir erro experimental: ao
construir o seu dispositivo de teste, os pesquisadores tinham esquecido de
ligar um dos gases que eles usaram para depositar seu filmes.
Ampliando o
escopo
Os outros artigos de nitreto de nióbio consultados
por Ivry davam suporte às suas previsões, então ele começou a expandir o estudo
para outros supercondutores. Cada novo material investigado, o obrigou a ajustar
as constantes (A e B) da fórmula. Mas, a forma geral da equação se mantinha através
de resultados relatados por cerca de três dezenas de supercondutores
diferentes.
Não era
necessariamente surpreendente que cada supercondutor tivesse sua própria
constante associada, mas Ivry e Berggren não estavam felizes que a sua equação
exigisse duas delas. Quando Ivry ‘plotou’ graficamente A contra B para todos os
materiais investigados, os resultados ficaram em linha reta.
Encontrar
uma relação direta entre as constantes permitiu contar com apenas uma delas sob
a forma geral de sua equação. Mas mais interessante, os materiais em cada
extremidade da linha tinham propriedades físicas distintas. Aqueles no topo eram
altamente desordenados - ou, tecnicamente, ‘amorfos’; aqueles da parte inferior
eram mais ordenados, ou ‘granular’. Então, a tentativa inicial de Ivry para
banir uma deselegância na sua equação já pode fornecer algumas dicas sobre a
física dos supercondutores em pequenas escalas.
“Nenhuma teoria
admitiu até agora uma explicação para a relação da temperatura crítica com a
resistência superficial e espessura da folha de uma ampla classe de materiais”,
diz Claude Chapelier, pesquisador do France’s Alternative Energies and Atomic Energy Commission. “Existem vários modelos que não preveem as
mesmas coisas”.
Chapelier
diz que gostaria de ver uma explicação teórica para essa relação. Mas, enquanto
isso, “isso é
muito conveniente para aplicações técnicas”, diz ele, “porque há um monte
de divulgação de resultados, e ninguém sabe se eles vão conseguir bons filmes
para dispositivos supercondutores. Ao colocar um material sob esta lei, você já
sabe se é um bom filme supercondutor ou não”.
