Topological superconductors and Majorana fermions based on $X$-wave magnets with $X=p,d,f,g,i$

No mundo silencioso dos materiais sólidos, os elétrons geralmente se comportam como uma multidão caótica, colidindo uns com os outros e espalhando-se em todas as direções. Mas, sob as condições adequadas, eles podem se sincronizar em um estado fluido único conhecido como supercondutor, onde a eletricidade flui sem qualquer resistência. Por décadas, os cientistas sabem que este estado é frágil; ele geralmente colapsa no momento em que um campo magnético é introduzido, o que tende a interromper o delicado emparelhamento de elétrons. No entanto, uma nova classe de materiais magnéticos surgiu desafiando essa expectativa. Esses materiais, chamados de altermagnetos e ímãs de paridade ímpar, possuem uma estrutura interna única onde as forças magnéticas se cancelam para zero no total, mas ainda assim dividem os níveis de energia dos elétrons com base no seu spin. Isso cria uma ordem oculta que não destrói a supercondutividade, mas sim a remodela, potencialmente desbloqueando uma nova fronteira na física onde a eletricidade poderia carregar informações de maneiras imunes ao ruído e aos erros que assolam a tecnologia atual.

Um pesquisador da Universidade de Tóquio mapeou agora exatamente como esses ímãs exóticos interagem com supercondutores, revelando um panorama de possibilidades que depende inteiramente da forma específica da ordem magnética. Ao construir modelos computacionais detalhados desses materiais tanto em grades quadradas quanto triangulares, o pesquisador explorou o que acontece quando diferentes tipos de ímãs são pareados com elétrons supercondutores. Ele focou em uma família de ímãs rotulados pelas letras p, d, f, g e i, que descrevem os complexos padrões geométricos de seus campos magnéticos internos. O estudo descobriu que esses ímãs não se comportam todos da mesma forma; em vez disso, eles se dividem em dois campos distintos com regras fundamentalmente diferentes. Um grupo, os altermagnetos, que inclui os tipos d, g e i, quebra uma simetria fundamental do tempo, enquanto o outro grupo, os ímãs de paridade ímpar, que inclui os tipos p e f, a preserva. Esta única diferença dita se o supercondutor resultante abrigará um tipo de partícula exótica ou outro.

Quando o pesquisador acoplou o supercondutor aos altermagnetos, descobriu que a ordem magnética estabilizava ativamente um estado supercondutor quiral e giratório. Neste estado, os elétrons se emparelham de uma forma que cria um gap de energia completo, o que significa que não há elétrons soltos para se espalharem e causarem resistência. Mais importante ainda, este estado é topológico, um termo que descreve uma propriedade do material que é robusta contra pequenas mudanças, muito parecido com um nó que não pode ser desatado sem cortar a corda. Nestes sistemas, as bordas do material tornam-se rodovias para partículas especiais chamadas férmions de Majorana. Estas partículas são suas próprias antipartículas e podem viajar ao longo da borda sem se espalharem. O pesquisador descobriu que, para os altermagnetos de onda d e onda g, este estado de borda é caracterizado por um único canal de fluxo, mas para o altermagneto de onda i, a situação é ainda mais notável. No caso da onda i, dois canais distintos destes estados de borda emergem simultaneamente, uma característica que pode ser crucial para a construção de dispositivos quânticos mais complexos.

Em contraste, quando o supercondutor foi pareado com os ímãs de paridade ímpar, o resultado foi diferente. Como esses ímãs preservam a simetria de reversão do tempo, eles não forçam o supercondutor a um estado quiral giratório. Em vez disso, eles estabilizam um tipo diferente de ordem topológica onde as partículas de Majorana não apenas fluem ao longo da borda em uma única linha, mas formam bandas planas de estados de energia zero. Estas bandas planas são essencialmente uma plataforma ampla e estável destas partículas exóticas que existe entre os gaps no espectro de energia do material. O pesquisador observou que, embora a ordem magnética nestes sistemas inevitavelmente cause uma pequena mistura entre os estados supercondutores, as bandas planas permanecem notavelmente robustas. Esta resiliência sugere que estes estados poderiam ser criados e mantidos de forma confiável, mesmo em condições reais imperfeitas.

O estudo também esclareceu por que alguns estados supercondutores desaparecem na presença de ordem magnética forte enquanto outros prosperam. Para os altermagnetos, a supercondutividade s-wave tradicional, que é a forma mais comum e isotrópica, é rapidamente destruída conforme a força magnética aumenta. Isso acontece porque a divisão magnética força os elétrons com o mesmo spin a ocupar os mesmos estados de momento, o que contradiz o requisito para que os pares de elétrons padrão tenham spins opostos. No entanto, o estado p-wave quiral, que emparelha elétrons com o mesmo spin, não é apenas compatível com este ambiente magnético, mas é na verdade estabilizado por ele. O pesquisador observou que, à medida que a força magnética crescia, o material transitava de um supercondutor padrão para este estado quiral exótico, uma mudança que era claramente visível em seus diagramas de fase.

Ao variar sistematicamente o potencial químico, que controla o número de elétrons no sistema, e a força das interações entre eles, o pesquisador construiu um mapa abrangente destas fases. Eles descobriram que a estrutura de rede específica do material, fosse uma grade quadrada ou uma triangular, desempenhava um papel decisivo em qual estado supercondutor emergiria. Por exemplo, a supercondutividade f-wave, que envolve um padrão geométrico mais complexo, foi encontrada como estável apenas em uma rede triangular. Os resultados confirmam que a interação entre estas novas ordens magnéticas e a supercondutividade não é uma questão simples de uma destruir a outra, mas sim um diálogo rico que pode produzir estados de matéria inteiramente novos. O trabalho fornece um blueprint teórico para identificar quais materiais podem abrigar estes elusivos férmions de Majorana, guiando experimentos futuros em direção às combinações específicas de ordem magnética e geometria de rede que têm maior probabilidade de sucesso.