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Multiple superconducting phases and order-parameter evolution in pressurized UTe $_2$

Este estudo utiliza espectroscopia de contato de ponto em UTe $_2$ sob pressão para identificar estados de Andreev ligados e quantificar a evolução de seu parâmetro de ordem supercondutora, revelando múltiplas fases distinguidas pelo peso relativo dos emparelhamentos de onda $p_z$ e $p_{x(y)}$ .

Autores originais: Shuo Zou, Fengrui Shi, Zhuolun Qiu, Jia-Long Zhang, Yan Zhang, Weilong Qiu, Zhuo Wang, Hai Zeng, Yinina Ma, Zheyu Wu, Andrej Cabala, Michal Valiska, Ning Li, Zihan Yang, Kaixin Ye, Jiawen Zhang, Yanan

Publicado 2026-08-25

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CC BY 4.0

Autores originais: Shuo Zou, Fengrui Shi, Zhuolun Qiu, Jia-Long Zhang, Yan Zhang, Weilong Qiu, Zhuo Wang, Hai Zeng, Yinina Ma, Zheyu Wu, Andrej Cabala, Michal Valiska, Ning Li, Zihan Yang, Kaixin Ye, Jiawen Zhang, Yanan Zhang, Kangjian Luo, Binbin Zhang, Alexander G. Eaton, Chaofan Zhang, Gang Li, Jianlin Luo, Wen Huang, Huiqiu Yuan, Xin Lu, Yongkang Luo

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

No mundo da ciência dos materiais, algumas substâncias comportam-se de maneiras que parecem desafiar as regras ordinárias da eletricidade. Entre as mais intrigantes destas estão os supercondutores, materiais que podem transportar corrente elétrica sem qualquer resistência. Embora muitos supercondutores sejam bem compreendidos, uma classe especial conhecida como supercondutores de spin-triplete permanece um mistério. Nestes materiais raros, os eletrões que formam a corrente não se agrupam da maneira habitual; em vez disso, alinham os seus spins em paralelo, criando um estado da matéria que é teoricamente capaz de hospedar partículas exóticas úteis para futuros computadores quânticos. No entanto, identificar exatamente como estes eletrões se agrupam tem se mostrado difícil, especialmente quando o material é submetido a condições extremas, como alta pressão. Um desses materiais, um composto de férmio pesado chamado UTe2, surgiu recentemente como um candidato principal para este estado esquivo, contudo, os cientistas têm tido dificuldade em mapear a sua estrutura interna e como ela muda quando comprimida.

Uma equipa de investigadores analisou agora o UTe2 mais de perto, pressionando-o entre contactos elétricos minúsculos enquanto media como a eletricidade flui através dele. Ao aplicar pressão hidrostática até 1,4 gigapascais, foram capazes de observar como as propriedades supercondutoras do material evoluíram. As suas medições revelaram uma assinatura distinta: um pico agudo na condutância elétrica precisamente em zero voltagem, que aparece apenas quando o material está num estado supercondutor. Este pico é um sinal revelador de um tipo específico de comportamento quântico onde os eletrões refletem na superfície do material de uma forma que cria uma onda estacionária de energia. A presença desta característica sugere fortemente que os eletrões se estão a agrupar num padrão complexo que envolve um componente direcional específico, em vez de uma esfera de interação simples e uniforme.

À medida que os investigadores aumentavam a pressão, a forma deste sinal elétrico mudava dramaticamente, revelando que o material não permanece num único estado, mas transita através de múltiplas fases supercondutoras distintas. Em pressões baixas, o material comporta-se de uma forma, dominado por um padrão de agrupamento que é relativamente plano. À medida que a pressão sobe além de um limiar crítico de cerca de 0,3 gigapascais, o sinal desenvolve novos vales em ambos os lados do pico central, indicando que a estrutura interna dos pares de eletrões está a tornar-se mais complexa. Ao analisar estas mudanças, a equipa descobriu que o material transita através de pelo menos três fases supercondutoras diferentes, rotuladas como SC1, SC2 e SC3. A diferença fundamental entre estas fases é o peso relativo de dois tipos diferentes de agrupamento de eletrões: um que é plano e outro que é direcional. Na primeira fase, o agrupamento plano domina, mas à medida que a pressão aumenta, o componente direcional torna-se mais forte até que este passa a ser o principal motor na fase final.

O estudo também abordou um debate de longa data sobre a simetria destes pares de eletrões. Teorias anteriores tinham sugerido várias possibilidades, mas o padrão específico dos sinais elétricos observados neste experimento descarta muitas delas. Os dados apontam fortemente para uma simetria matemática específica onde os pares de eletrões possuem um componente que muda de sinal dependendo da direção do movimento, uma característica que é essencial para a formação das ondas de superfície observadas. Embora os investigadores ainda não possam afirmar com absoluta certeza qual das duas simetrias muito semelhantes é a correta, as suas descobertas estreitam o campo significativamente e fornecem uma impressão digital clara para distinguir entre as diferentes fases. Este trabalho não só clarifica a natureza do UTe2, como também oferece um novo método para identificar estados exóticos semelhantes noutros materiais, aproximando os cientistas um passo mais perto de compreender as regras fundamentais que governam estes estranhos estados quânticos de alto desempenho.

Resumo Técnico: Múltiplas Fases Supercondutoras e Evolução do Parâmetro de Ordem em UTe $_2$ sob Pressão

Definição do Problema
O UTe $_2$ é um candidato proeminente a um supercondutor de spin triplete de férmions pesados, exibindo propriedades exóticas como campos críticos superiores que excedem o limite de Pauli e supercondutividade reentrante sob altos campos magnéticos. Embora a pressão induza um diagrama de fases complexo com três fases distintas de supercondutividade (SC1, SC2 e SC3), a natureza fundamental desses estados permanece não resolvida. Especificamente, as simetrias de emparelhamento dessas fases e a evolução de seus parâmetros de ordem com a pressão são desconhecidas. Essa falta de compreensão decorre amplamente da ausência de sondas experimentais sensíveis à simetria capazes de operar sob condições extremas (alta pressão, temperatura ultra-baixa). A identificação definitiva do parâmetro de ordem é crítica, pois supercondutores de spin triplete são potenciais hospedeiros para modos zero de Majorana, embora muitos candidatos (ex: Sr $_2$ RuO $_4$ , UPt $_3$ ) permaneçam controversos.

Metodologia
Os autores empregaram espectroscopia de contato de ponto (PCS) para investigar a estrutura do gap e os estados ligados de Andreev (ABS) de monocristais de UTe $_2$ sob pressão hidrostática.

Preparação da Amostra: Monocristais de alta qualidade foram crescidos utilizando o método de fluxo mole derretido. Para evitar reações químicas (especificamente Ag-Te), o epoxy de Au foi utilizado para fabricar junções de contato de ponto macio na superfície (0 0 1) do cristal.
Condições Experimentais: As medições foram conduzidas em um sistema de refrigerador de $^3$ He até $\sim$ 1,8 GPa usando uma célula híbrida de pistão-grampo com óleo Daphne 7373 como meio de transmissão de pressão. Campos magnéticos foram aplicados ao longo do eixo $a$ .
Estrutura Teórica: Os dados de condutância diferencial experimental ( $G_{NS}$ ) foram analisados usando um modelo Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK) estendido. Este modelo considera canais de emparelhamento de spin triplete ( $\Phi_1, \Phi_0, \Phi_{-1}$ ) e calcula espectros de condutância baseando-se na força da barreira da junção ( $Z$ ), fator de alargamento de Dynes ( $\Gamma$ ) e amplitudes de gap ( $\Delta$ ). A análise visou especificamente a formação de estados ligados de Andreev de energia zero (ZABS), que são sensíveis à mudança de sinal da função de gap na reflexão.

Resultos Principais

Observação de Estados Ligados de Andreev de Energia Zero (ZABS): Na pressão ambiente e baixas pressões (regime SC1), um pico de condutância de viés zero (ZBCP) foi observado na superfície (0 0 1). A estabilidade deste pico contra temperatura e campo magnético, juntamente com características de transporte balístico ( $l/d \sim 8$ ), descarta origens extrínsecas (aquecimento ou espalhamento magnético). A presença de ZABS na superfície (0 0 1) implica um componente da função de gap que muda de sinal com $k_z$ , sugerindo fortemente um componente de onda $p_z$ .
Evolução dos Espectros Induzida por Pressão: À medida que a pressão aumentava além de 0,3 GPa (entrando nos regimes SC2 e SC3): os espectros evoluíram significativamente:
- A 0,6 GPa, vales (dips) apareceram em ambos os lados do ZBCP.
- A 1,0 GPa, uma estrutura de duplo vale emergiu.
- A 1,4 GPa (próximo à fronteira da fase magnética), o pico central alargou-se substancialmente com um topo plano.
Determinação da Simetria: O ajuste quantitativo usando o modelo BTK estendido indica que o parâmetro de ordem supercondutor pertence às representações irredutíveis (IRs) $B_{2u}$ $B_{2 u}$ ou $B_{3u}$ $B_{3 u}$ .
- Emparelhamentos puramente $p_x$ ou $p_y$ não podem explicar o ZBCP ou os vales laterais.
- O emparelhamento $A_u$ tipicamente divide o pico ou requer grande alargamento para corresponder aos dados, o que contradiz as características nítidas observadas.
- O emparelhamento $B_{1u}$ carece da mudança de sinal necessária para $k_z$ para produzir os vales laterais.
- Os modelos $B_{2u}$ e $B_{3u}$ capturam com sucesso o ZBCP e as estruturas de vales laterais, desde que exista um componente ímpar de $k_z$ finito.
Evolução do Parâmetro de Ordem: O peso relativo entre os emparelhamentos de onda $p_z$ $p_{z}$ e onda $p_{x(y)}$ $p_{x (y)}$ , definido como a razão $\langle \Delta_z \rangle / \langle \Delta_{x(y)} \rangle$ $⟨ Δ_{z} ⟩ / ⟨ Δ_{x (y)} ⟩$ , serve como um parâmetro distintivo para as fases supercondutoras:
- SC1 (Baixa Pressão): Dominada pelo emparelhamento $p_{x(y)}$ , com $\langle \Delta_z \rangle / \langle \Delta_{x(y)} \rangle \approx 0,57$ .
- SC2/SC3 (Alta Pressão): O componente $p_z$ aumenta drasticamente. A 0,6 GPa, a razão atinge $\approx 1,03$ , e a 1,2 GPa, atinge $\approx 1,30$ , indicando dominância de $p_z$ .
- Transição de Fase: A dependência da temperatura desta razão em pressão fixa (ex: 0,8 GPa) mostra um comportamento não monotônico com um mínimo próximo a 1,5 K. Este mínimo alinha-se com a fronteira SC2-SC3 determinada por medições termodinâmicas de volume, sugerindo uma verdadeira transição de fase em vez de um crossover.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer a primeira evidência espectroscópica sensível à simetria da existência de múltiplas fases supercondutoras em UTe $_2$ sob pressão. Ao identificar a presença de um componente $p_z$ e estabelecer $B_{2u}$ (ou $B_{3u}$ ) como a simetria de emparelhamento mais provável, o estudo impõe restrições rigorosas aos modelos teóricos de UTe $_2$ .

Crucialmente, os autores propõem que a razão $\langle \Delta_z \rangle / \langle \Delta_{x(y)} \rangle$ é um parâmetro robusto para distinguir as fases SC1, SC2 e SC3. Os dados sugerem que a SC1 é dominante em $p_{x(y)}$ , enquanto a SC3 é dominante em $p_z$ , com a transição entre SC2 e SC3 potencialmente envolvendo a condensação de um componente adicional do parâmetro de ordem (possivelmente uma superposição de $B_{2u}$ e $B_{3u}$ ). O alargamento anômalo do espectro próximo a 1,4 GPa é especulado como relacionado a um ponto crítico quântico magnético, embora os autores notem que isso requer confirmação adicional.

No geral, o trabalho estabelece o UTe $_2$ como um sistema prototípico para estudar ordens eletrônicas entrelaçadas sob ajuste de pressão e fornece assinaturas espectroscópicas essenciais para investigações futuras sobre supercondutividade topológica neste material.

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