Supercondutividade reentrante em uma rede de junções Josephson naturalmente ocorrente sintonizada por potência em radiofrequência

Correntes elétricas que fluem sem empurrão

Na maior parte do tempo, quando a eletricidade percorre um fio ela perde energia na forma de calor. Supercondutores são materiais especiais onde a corrente pode fluir sem essa perda, mas normalmente funcionam apenas sob condições muito rigorosas de baixa temperatura e campo magnético reduzido. Este estudo explora uma variação incomum desse comportamento, em que um supercondutor parece apagar-se e então religar-se à medida que as condições mudam, revelando uma física oculta rica que pode ajudar a projetar dispositivos quânticos futuros.

Um material simples com uma rede escondida

Os pesquisadores concentram-se no alumínio granular, um filme fino composto por inúmeros grãos metálicos supercondutores minúsculos separados por finas barreiras isolantes. Juntos, esses grãos formam uma rede natural de ligações fracas para elétrons, conhecida pelos físicos como uma rede de junções Josephson. Embora cada ligação seja simples, a rede inteira pode apresentar um comportamento coletivo complexo. O alumínio granular é atraente porque seus grãos são extremamente pequenos, o que torna os efeitos quânticos fortes e permite aos cientistas sintonizar com que facilidade os elétrons se movem entre os grãos.

Usando ondas de rádio como um botão de ajuste

Em vez de reconstruir o material cada vez que queriam alterar suas propriedades, a equipe usou potência em radiofrequência como um controle remoto. Eles enviaram um sinal de rádio através do dispositivo enquanto também passavam uma pequena corrente contínua e ajustavam temperatura e campo magnético. Ao aumentar gradualmente a potência do rádio, puderam levar o sistema de um estado suave, totalmente supercondutor, para um estado isolante, onde a corrente é fortemente bloqueada e a resistência torna-se dez vezes maior do que no estado metálico ordinário, não supercondutor. Em baixas temperaturas também observaram grandes patamares na tensão ao variar a corrente, conhecidos como passos gigantes de Shapiro, que revelam que muitas ligações fracas na rede atuam em conjunto como uma única junção bem coordenada.

Um supercondutor que sai e volta

O efeito mais marcante apareceu quando a equipe mapeou como a resistência mudava com temperatura e potência de rádio. A uma certa potência de rádio, o material começa supercondutor em temperatura muito baixa, depois torna-se isolante conforme a temperatura aumenta e então, de forma bastante inesperada, volta a ficar supercondutor a uma temperatura mais alta antes de finalmente transformar-se em um metal normal. Em outras palavras, a condução perfeita desaparece, reaparece e então desaparece novamente à medida que a amostra aquece. Um retorno semelhante da supercondutividade também aparece quando um campo magnético é aplicado sob as condições adequadas.

Muitas partículas agindo em conjunto

Para entender esse retorno puzzling da supercondutividade, os autores comparam seus achados com um quadro teórico desenvolvido para redes de ligações fracas. Nessa visão, não apenas a facilidade de fluxo de corrente entre grãos importa, mas também o quão fortemente a carga elétrica fica presa em cada grão. Em temperaturas mais altas, partículas carregadas móveis na rede podem fazer uma blindagem, ou suavizar, a repulsão entre cargas, reduzindo efetivamente o custo energético de mover carga de um grão para outro. Embora temperaturas mais altas costumeiramente prejudiquem a supercondutividade, nessa rede elas podem de fato favorecer o estado cooperativo ao reduzir esse aprisionamento. Esse comportamento de muitos corpos vai além do que uma única ligação fraca pode mostrar.

Por que isso importa para a tecnologia futura

Em conjunto, as medições e a modelagem mostram que um metal granular de aparência simples pode atuar como um terreno controlável para estados quânticos complexos. Ao ajustar potência de rádio, temperatura e campo magnético, o mesmo dispositivo pode ser alternado entre um estado supercondutor rígido, um estado isolante dominado por flutuações quânticas e um estado supercondutor reentrante dirigido por blindagem de muitos corpos. Essa versatilidade sugere que supercondutores granulares podem servir como blocos de construção para novos circuitos quânticos e como sistemas modelo para explorar como grandes redes de elementos quânticos dão origem a comportamentos coletivos surpreendentes.

Citação: Avraham, S., Sankar, S., Sandik, S. et al. Reentrant superconductivity in a naturally occurring Josephson junction array tuned by radio-frequency power. Nat Commun 17, 4734 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71256-8

Palavras-chave: supercondutividade reentrante, alumínio granular, rede de junções Josephson, sintonia por rádio frequência, transição de fase quântica

Veja mais no site do grupo de pesquisa: https://daganlab.sites.tau.ac.il/