🔬 física

Direct real-space imaging of sign-reversal superconducting state by scanning Josephson tunneling

Utilizando microscopia de tunelamento Josephson por varredura, pesquisadores imagearam diretamente modulações periódicas de meio da célula unitária em filmes monocamada de Fe(Te,Se) que confirmam uma simetria de emparelhamento d-wave sem nós com reversão de sinal, superando limitações anteriores na determinação dos complexos mecanismos de emparelhamento em supercondutores à base de ferro.

Autores originais: Tianheng Wei, Yanzhao Liu, Wei Ren, Zhen Liang, Ziqiang Wang, Jian Wang

Publicado 2026-10-30

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CC BY 4.0

Autores originais: Tianheng Wei, Yanzhao Liu, Wei Ren, Zhen Liang, Ziqiang Wang, Jian Wang

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 coração dos materiais mais misteriosos da física reside uma questão simples: como os elétrons se emparelham para fluir sem resistência? Em muitos supercondutores de alta temperatura, esses pares não são gêmeos idênticos; eles são mais como parceiros movendo-se em direções opicas, um estado conhecido como reversão de sinal. Determinar a forma exata dessa parceria, ou sua simetria, é crucial porque revela as forças ocultas que unem os elétrons. Por décadas, cientistas confiaram em experimentos de grande escala para adivinhar essas formas, mas esses métodos frequentemente embaçam os detalhes finos, tal como tentar ler um livro a um quilômetro de distância. O desafio tem sido particularmente agudo para supercondutores à base de ferro, uma poderosa família de materiais onde as regras de emparelhamento são complexas e os sinais são frequentemente confundidos pela presença de múltiplos tipos de elétrons.

Uma equipe de pesquisadores olhou agora para este problema com um microscópio tão poderoso que pode ver átomos individuais, oferecendo uma visão direta de como esses pares de elétrons se comportam. Ao utilizar uma técnica especializada chamada microscopia de tunelamento Josephson de varredura, eles mapearam o estado supercondutor de uma única camada de material à base de ferro crescido sobre uma superfície de titanato de estrôncio. Em vez de ver um brilho uniforme de supercondutividade, encontraram um padrão marcante de pontos claros e escuros que se repetia a cada meio átomo. Mais importante ainda, descobriram que o sinal dos pares de elétrons desaparecia completamente ao longo de linhas específicas conectando os átomos. Esta "linha zero" não é um defeito ou uma lacuna no material, mas uma assinatura fundamental dos pares de elétrons se cancelando mutuamente. As descobertas sugerem fortemente que os elétrons neste material estão emparelhados em um padrão específico de reversão de sinal conhecido como onda-d sem nós (nodeless d-wave), uma forma que havia sido teorizada, mas nunca visualizada diretamente desta maneira.

A história começa com um material que intriga cientistas há anos: uma única camada de ferro, telúrio e selênio, com apenas um átomo de espessura, assentada sobre uma superfície de titanato de estrôncio. Este filme é famoso por se tornar um supercondutor em temperaturas relativamente altas, embora sua estrutura interna permaneça objeto de intenso debate. Para entender o que está acontecendo dentro dele, os pesquisadores precisavam de uma ferramenta que pudesse sondar a fase quântica dos pares de elétrons, uma propriedade que determina como eles se movem e interagem. Eles recorreram a um microscópio de tunelamento de varredura equipado com uma ponta revestida de chumbo, um supercondutor convencional. Enquanto essa ponta supercondutora paira logo acima do filme à base de ferro, ela forma uma ponte microscópica, permitindo que pares de elétrons tunelem através do espaço. A força desse tunelamento de corrente depende de como as fases dos pares de elétrons na ponta e no filme se alinham.

Os pesquisadores não mediram apenas a corrente em um único ponto; eles escanearam a ponta pela superfície, átomo por átomo, registrando a força do sinal de tunelamento em cada localização. O que encontraram foi um cenário de contraste dramático. O sinal era mais forte nos pontos médios entre átomos de ferro vizinhos, mas conforme a ponta se movia em direção às linhas que conectam os átomos de ferro vizinhos mais distantes, o sinal caía bruscamente. De fato, ao longo dessas linhas diagonais, a corrente de tunelamento quase desaparecia inteiramente. Esta é uma observação profunda porque a distância entre esses pontos é incrivelmente pequena, muito menor do que o tamanho típico de uma região supercondutora. Se o material fosse simplesmente irregular ou se a supercondutividade fosse fragmentada, o sinal não desapareceria tão precisamente ao longo dessas linhas geométricas específicas. O sinal que desaparece indica que os pares de elétrons de um lado da linha estão perfeitamente fora de passo com aqueles do outro lado, fazendo com que se cancelem mutuamente através de interferência destrutiva.

Este cancelamento é a prova cabal de um tipo específico de simetria de emparelhamento. Na linguagem da mecânica quântica, os pesquisadores descobriram que os pares de elétrons mudam seu sinal quando refletidos através destas linhas diagonais. Este comportamento corresponde à previsão teórica para um estado de onda-d sem nós, onde a função de emparelhamento possui uma forma específica que inverte seu sinal sob certas rotações e reflexões. A equipe confirmou que este padrão não é um artefato de seu equipamento ou da composição específica do material ao testar outros supercondutros. Quando realizaram o mesmo experimento em um supercondutor convencional feito de chumbo, o sinal permaneceu uniforme, não mostrando tal cancelamento. Quando observaram uma versão volumosa (bulk) do material à base de ferro, que é conhecido por ter uma estrutura de emparelhamento diferente, o sinal também foi uniforme. No entanto, quando testaram um filme diferente à base de ferro e um famoso supercondutor à base de cobre, ambos conhecidos por terem simetria de onda-d, viram o mesmo sinal desaparecendo ao longo das linhas diagonais.

Os resultados fornecem uma imagem clara, no espaço real, do estado supercondutor nestes filmes à base de ferro. Os pesquisadores argumentam que os pares de elétrons neste material de camada única não estão seguindo o padrão simples e uniforme visto em muitos outros supercondutores à base de ferro. Em vez disso, eles estão presos em uma dança complexa de reversão de sinal que cria estas linhas de sinal zero. Esta descoberta apoia a ideia de que a supercondutividade de alta temperatura nestes filmes surge de um tipo específico de emparelhamento que era anteriormente apenas uma hipótese. Ao visualizar a interferência dos pares de elétrons diretamente na escala atômica, o estudo oferece uma nova maneira de compreender os mecanismos por trás da supercondutividade. Sugere que a chave para desbloquear os segredos destes materiais pode residir em observar os sutis cancelamentos e alinhamentos dos pares de elétrons exatamente onde eles vivem, em vez de mediá-los de forma média sobre uma grande área. O trabalho abre um caminho para explorar outros supercondutores exóticos com o mesmo nível de detalhe, potencialmente revelando as regras ocultas que governam como a matéria conduz eletricidade sem perda.

Resumo Técnico: Imagem Direta no Espaço Real do Estado Supercondutor de Reversão de Sinal por Tunelamento Josephson por Varredura

Problema e Motivação
Determinar a simetria de emparelhamento supercondutor é um passo fundamental para identificar o mecanismo da supercondutividade não convencional de alta temperatura. Embora experimentos de tunelamento Josephson sensíveis à fase tenham estabelecido com sucesso a simetria de onda $d$ em cupratos de alto $T_c$ , a aplicação desses métodos aos supercondutores à base de ferro (FeSCs) tem se mostrado difícil. Nos FeSCs, a complexidade das simetrias de emparelhamento multibanda e os desafios na fabricação de junções Josephson macroscópicas de alta qualidade e homogêneas limitaram os estudos sensíveis à fase, particularmente para sistemas fortemente dopados como filmes de FeSe e Fe(Te,Se) de monocamada crescidos em SrTiO $_3$ (STO). Esses filmes de monocamada específicos possuem apenas bolsas de Fermi eletrônicas e exibem as temperaturas de transição mais altas entre os FeSCs, embora sua simetria de emparelhamento permaneça debatida, com candidatos variando de onda $s$ a onda $d$ com reversão de sinal. Experimentos de tunelamento tradicionais carecem da resolução espacial e de momento necessária para distinguir de forma inequívoca entre esses candidatos em tais sistemas multibanda.

Metodologia
Para abordar essas limitações, os autores empregaram a Microscopia de Tunelamento Josephson por Varredura (SJTM), uma técnica que utiliza uma ponta supercondutora para formar uma junção Josephson microscópica espacialmente ajustável com a amostra. Diferente das junções macroscópicas, a SJTM evita problemas de heterogeneidade e oferece resolução espacial subatômica. Os experimentos foram conduzidos em filmes de Fe(Te,Se)/STO de espessura de uma única unidade de célula (1-UC) de alta qualidade, crescidos via MBE (epitaxia de feixe molecular). As medições foram realizadas em temperaturas ultrabaixas (abaixo de 150 mK) usando uma ponta de PtIr revestida com Pb ( $s$ -wave/onda $s$ ).

O estudo focou na medição da condutância de tunelamento Josephson de polarização zero ( $g_J$ ), que é proporcional ao quadrado da corrente crítica de Josephson ( $I_c^2$ ). Ao varrer a ponta através da rede atômica, os autores mapearam a distribuição espacial de $g_J$ e a compararam com espectros de tunelamento de partícula única e topografia atômica. Para validar a robustez da técnica, medições semelhantes foram realizadas em um conjunto diversificado de amostras de controle: FeSe/STO de monocamada, Fe(Te,Se) bulk, um filme de Pb $s$ -wave convencional sobre Si(111) e o cuprato de alta $T_c$ Bi $_2$ Sr $_2$ CaCu $_2$ O $_{8+x}$ .

Resultos Principais

Modulações Periódicas de Meia Unidade de Célula: No filme de 1-UC Fe(Te,Se)/STO, o sinal de tunelamento Josephson ( $g_J$ ) exibiu uma modulação espacial distinta com um período de metade da constante de rede ( $a_{Te/Se}/2$ ). O sinal foi maximizado nos pontos médios dos enlaces Fe-Fe de vizinhos próximos, mas quase desapareceu ao longo das linhas que conectam átomos de Fe de vizinhos de segundo ordem.
Linhas de Zero Protegidas por Simetria: As linhas de $g_J$ nulo coincidiram precisamente com os planos de espelho diagonais ( $m_d$ ) da rede cristalina. Este fenômeno de "linha de zero" foi observado consistentemente em diferentes condições de configuração e com diferentes pontas, indicando que é uma propriedade intrínseca do estado supercondutor.
Contraste com Amostras de Controle:
- Monolayer FeSe/STO: Mostrou modulações de meia unidade de célula semelhantes com linhas de zero, sugerindo uma simetria de emparelhamento universal para FeSCs de monocamada fortemente dopados com elétrons.
- Cuprato Bi $_2$ Sr $_2$ CaCu $_2$ O $_{8+x}$ : Exibiu modulações análogas com linhas de zero ao longo de linhas diagonais Cu-Cu, consistentes com sua conhecida simetria de onda $d_{x^2-y^2}$ .
- Fe(Te,Se) Bulk e Pb/Si(111): Ambos os supercondutores de onda $s$ convencionais (Fe(Te,Se) bulk com simetria $s_{\pm}$ e Pb com onda $s$ pura) exibiram mapas de $g_J$ relativamente uniformes, sem modulações sub-unidade de célula ou linhas de zero.
Espectros de Partícula Única: Espectros de tunelamento de partícula única medidos com uma ponta metálica revelaram um gap supercondutor totalmente aberto (>10 meV) em todas as posições atômicas, descartando a possibilidade de que as linhas de zero em $g_J$ fossem causadas por fechamentos de gap locais ou densidade de superfluido heterogênea.

Interpretação e Análise Teórica
Os autores interpretam o desaparecimento de $g_J$ ao longo das linhas de espelho diagonais como resultado de interferência quântica destrutiva entre canais de tunelamento Josephson originados de diferentes bolsas de Fermi. Como a ponta é um supercondutor de onda $s$ , a simetria da corrente crítica $I_c$ é determinada pela função de emparelhamento da amostra.

A observação de que $I_c$ muda de sinal sob reflexão de espelho diagonal ( $\sigma_d$ ), mas permanece par sob reflexão de espelho vertical ( $\sigma_v$ ), é matematicamente consistente com uma simetria de emparelhamento de onda $d$ sem nós (especificamente a representação $B_{2g}$ ).
Neste cenário, os parâmetros de ordem supercondutora nas duas bolsas de Fermi de elétrons (derivados dos orbitais $xz/xy $e$ yz/xy$) possuem sinais opostos. Quando a ponta é posicionada no plano de espelho diagonal, as amplitudes de tunelamento dessas duas bolsas interferem destrutivamente, levando a corrente crítica líquida a zero.
Cálculos teóricos baseados em modelos de tight-binding e análise de simetria confirmaram que apenas o estado de onda $d$ sem nós reproduz o padrão de modulação sub-unidade de célula e as linhas de zero observados. Cenários de $s_{\pm}$ estendida ou onda $s$ pura mostraram-se inconsistentes com os dados, pois carecem da proteção de simetria necessária para criar tais linhas de zero.

Significância
O artigo afirma fornecer a primeira visualização microscópica no espaço real da supercondutividade de reversão de sinal em um supercondutor de ferro de monocamada. Ao demonstrar que a SJTM pode resolver informações de fase sub-unidade de célula e distinguir entre simetrias de onda $d$ e onda $s$ na escala atômica, este trabalho oferece uma abordagem experimental robusta e sensível à fase que não requer a fabricação de junções macroscópicas complexas. Esta técnica é apresentada como um método viável para investigar os mecanismos de emparelhamento em outros sistemas supercondutores não convencionais, incluindo FeSCs fortemente dopados, cupratos, sistemas de férmions pesados e supercondutores de moiré. As descobertas apoiam a previsão teórica de que os FeSCs de monocamada fortemente dopados com elétrons hospedam um estado de emparelhamento de onda $d$ sem nós, distinto do estado $s_{\pm}$ encontrado em seus equivalentes bulk.

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