Superconductivity and anomalous electrical transport in bismuth-nickel systems

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Silva, Gabriel Sant'Ana da
• Orientador(a): Tumelero, Milton André
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Supercondutividade; Efeito hall; Magnetorresistência; Acoplamento
• Palavras-chave em Inglês: Unconventional superconductivity; Anomalous hall effect; Linear magnetoresistance; Spin-orbit coupling; Two-dimensional superconductivity
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/298486

O sistema Bismuto–Níquel (Bi–Ni) tem atraído grande atenção devido à interação entre supercondutividade, magnetismo, topologia e acoplamento spin–órbita. Sua riqueza manifesta-se em duas realizações distintas: o composto intermetálico NiBi3 e as bicamadas Bi/Ni. Apesar de estudos extensivos, questões fundamentais permanecem em aberto em ambos os casos. Nas bicamadas Bi/Ni, a natureza da supercondutividade segue controversa, com alguns trabalhos reportando evidências de emparelhamento não convencional, possivelmente quiral, enquanto outros descrevem o estado supercondutor dentro do quadro convencional de BCS. Já no composto NiBi3, o transporte magnetoelétrico anômalo no estado normal ainda carece de uma interpretação microscópica consistente. Esta tese aborda essas questões em aberto por meio de uma combinação de revisão bibliográfica e estudos experimentais sistemáticos em monocristais de NiBi3 e em bicamadas Bi/Ni. A primeira parte revisita monocristais de NiBi3 crescidos pelo método de autofluxo, os quais apresentam uma transição supercondutora em ≈ 4 K. Medidas detalhadas de transporte magnetoelétrico revelam anomalias no estado normal, incluindo resistividade não convencional, resposta de Hall anômala e magnetorresistência com dependência incomum da temperatura. Embora nenhuma ordem magnética estática seja detectada, esses efeitos estão fortemente associados a espalhamento dependente de spin. Um modelo fenomenológico foi implementado para descrever os dados, sugerindo que flutuações de spin dinâmicas podem induzir correlações ferromagnéticas locais na escala de tempo do transporte, fornecendo uma explicação consistente para as observações. A segunda parte investiga bicamadas Bi/Ni crescidas por sputtering sobre substratos de SiO2 e Al2O3. As análises estruturais confirmam a formação espontânea de NiBi3 na interface, acompanhada por uma sobrecamada residual de Bi metálico. As propriedades supercondutoras escalam com a espessura de Bi e gradualmente convergem para o comportamento típico do cristal de NiBi3. Experimentos de transporte revelam valores de e comprimentos de coerência consistentes com essa dependência em espessura. Em bicamadas ultrafinas, o acoplamento spin–órbita originado da assimetria de inversão estrutural torna-se relevante e foi incorporado a modelos padrão para descrever o campo crítico superior 2. A terceira parte foca em bicamadas Bi/Ni fabricadas por epitaxia por feixe molecular (MBE). A caracterização estrutural revela a formação espontânea de uma camadapt ultrafina e policristalina de NiBi3 (∼ 7 nm), juntamente com grandes grãos de Bi no topo. Esta camada ultrafina apresenta uma transição supercondutora em ≈ 3.3 K e desenvolve um estado supercondutor incomum, cuja principal característica é uma forte robustez contra campos magnéticos aplicado no plano, sustentando a supercondutividade até 9 T com apenas uma redução moderada de (∼ 0.80). Nesse regime, o limite paramagnético de Pauli é excedido em um fator de 1.5. Modelos baseados no BCS, incluindo espalhamento spin–órbita e acoplamento do tipo Rashba, falham em descrever os dados. Em contraste, especulamos que flutuações ferromagnéticas intensificadas pela redução dimensional possam mediar um pareamento não convencional do tipo triplet, robusto contra o desdobramento de Zeeman. Alternativamente, um cenário do tipo Ising em uma textura policristalina pode também contribuir para a proteção da supercondutividade. Em conjunto, esta tese acrescenta um novo ingrediente à compreensão do sistema Bi–Ni, demonstrando que a supercondutividade mediada pelo NiBi3 interfacial pode apresentar características não convencionais que se desviam da descrição usual da teoria BCS. Em filmes finos crescidos por sputtering, o estado supercondutor é essencialmente tridimensional e se assemelha ao NiBi3 volumétrico. Em contraste, em bicamadas Bi/Ni crescidas de forma não epitaxial por MBE, a formação de uma camada ultrafina de NiBi3 dá origem a um estado supercondutor puramente bidimensional, que se afasta de todos os modelos convencionais de BCS 2D, mesmo quando se incluem efeitos de acoplamento spin–órbita e processos de spin–flip. Além disso, este trabalho relata, pela primeira vez, medições de resistência transversal em monocristais de NiBi3, juntamente com evidências de um magnetismo dinâmico complexo que afeta fortemente suas propriedades de transporte magnetoelétrico.