Evidências de supercondutividade de paridade ímpar sustentada por antiferromagnetismo no metal de férmions pesados YbRh2Si2

Um metal estranho que se torna um supercondutor especial

A maioria dos supercondutores já soa exótica: conduzem eletricidade sem resistência quando resfriados a temperaturas muito baixas. Mas uma família ainda mais rara, chamada de supercondutores topológicos, pode um dia fornecer blocos de construção para tecnologias quânticas robustas. Neste estudo, os pesquisadores exploram um composto metálico pesado incomum, YbRh2Si2, resfriado a alguns milésimos de grau acima do zero absoluto, e encontram evidências de que ele abriga um tipo raro de supercondutividade intimamente ligado à sua magnetização interna.

Por que este material é incomum

YbRh2Si2 pertence a uma classe de materiais conhecidos como metais de férmions pesados, nos quais os elétrons se comportam como se fossem centenas de vezes mais pesados do que o habitual devido a interações fortes. Em temperaturas muito baixas, este composto desenvolve uma forma delicada de antiferromagnetismo, na qual momentos atômicos vizinhos se orientam em direções opostas. Medidas anteriores sugeriram que a supercondutividade aparece nesse ambiente estranho, mas a natureza do pareamento que permite o fluxo de corrente sem resistência permanecia incerta, e os sinais supercondutores eram fracos e dependentes da amostra.

Ouvindo correntes elétricas em temperaturas ultra‑baixas

Para descobrir o que acontece, a equipe desenvolveu uma maneira ultra‑sensível de medir a resposta elétrica de pequenos cristais únicos em temperaturas abaixo de 10 millikelvin. Eles usaram um dispositivo de interferência quântica supercondutor, ou SQUID, para sondar a impedância elétrica complexa, que captura tanto a resistência quanto os efeitos indutivos à medida que a temperatura e o campo magnético variam. Essas medições revelaram limites nítidos onde regiões dentro de cada amostra alternam entre comportamento normal e supercondutor, permitindo aos pesquisadores mapear vários estados supercondutores em função do campo magnético aplicado tanto no plano do cristal quanto ao longo do eixo cristalino.

Magnetismo como ajudante e guardião

Os diagramas de fase resultantes mostram que a supercondutividade em YbRh2Si2 é estável apenas quando o material está magneticamente ordenado. Quando o estado antiferromagnético principal, chamado AFM1, é destruído por um campo magnético aplicado, a supercondutividade também desaparece abruptamente. Em temperaturas ainda mais baixas, um segundo padrão magnético aparece, envolvendo spins eletrônicos e nucleares dispostos em um padrão ondulatório. De forma marcante, o aparecimento dessa onda de densidade de spin eletrônica‑nuclear produz um aumento repentino na resposta supercondutora, visto como uma queda na indutância cinética dos elétrons e um aumento na escala de campo na qual a supercondutividade é destruída.

Pistas sobre o tipo de pares supercondutores

Ao acompanhar como a temperatura crítica depende do campo magnético, os pesquisadores puderam determinar quando a supercondutividade é limitada pelo alinhamento magnético dos spins dos elétrons, uma restrição conhecida como limite de Pauli. Algumas regiões supercondutoras nas amostras seguem esse limite para campos aplicados no plano do cristal, enquanto outras sobrevivem muito além dele. Esse comportamento seletivo sugere fortemente que os pares de Cooper estão em um estado spin‑triplet, no qual os spins se alinham em vez de se oporem. O padrão de dependência com o campo aponta em particular para um chamado estado helicoidal, um tipo de fase supercondutora topológica que é insensível a campos ao longo do eixo cristalino, mas sensível a campos no interior do plano.

Como uma onda magnética fortalece os pares

Para explicar o fortalecimento súbito da supercondutividade quando a ordem magnética eletrônica‑nuclear aparece, os autores propõem que o estado supercondutor helicoidal se acopla a um padrão acompanhante chamado onda de densidade de pares. Nessa imagem, a onda magnética difrata os pares de elétrons, criando um estado parceiro espacialmente modulado que reduz a energia do sistema e efetivamente aprofunda a lacuna supercondutora. Regiões do cristal que já hospedam o estado helicoidal o veem reforçado, enquanto outras regiões são induzidas à supercondutividade exatamente na temperatura em que a ordem eletrônica‑nuclear se estabelece.

O que isso significa para futuros materiais quânticos

Tomados em conjunto, os experimentos fornecem fortes evidências de que YbRh2Si2 abriga supercondutividade de paridade ímpar, spin‑triplet, cuja existência e intensidade são controladas por dois tipos entrelaçados de ordem antiferromagnética. Uma das fases supercondutoras se encaixa no perfil de um estado helicoidal topológico, um parente próximo de fases estudadas há muito tempo no hélio‑3 superfluido. Embora a supercondutividade seja atualmente frágil e espacialmente não uniforme, o material oferece uma plataforma rara e ajustável onde magnetismo e pareamento topológico podem ser estudados lado a lado, com a perspectiva de que um melhor controle das amostras possa um dia torná‑lo um hospedeiro prático para estados quânticos exóticos.

Citação: Levitin, L.V., Knapp, J., Knappová, P. et al. Evidence for odd-parity superconductivity underpinned by antiferromagnetism in heavy-fermion metal YbRh₂Si₂. Nat. Phys. 22, 713–719 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03247-x

Palavras-chave: supercondutividade topológica, pareamento spin-triplet, metal de férmions pesados, antiferromagnetismo, onda de densidade de pares