Os supercondutores agem como trens expressos de eletricidade. Uma vez que a corrente elétrica entra em um deles, ela pode viajar sem resistência ou perda de energia. Devido a esta extraordinária eficiência, os supercondutores já são fundamentais para tecnologias como scanners de ressonância magnética e aceleradores de partículas.
No entanto, estes supercondutores “convencionais” só funcionam em temperaturas extremamente baixas. Eles devem ser mantidos em sistemas de resfriamento especiais para permanecerem em seu estado supercondutor. Se os materiais puderem ser supercondutores a temperaturas mais quentes e práticas, poderão transformar a tecnologia moderna – desde a construção de redes eléctricas que não desperdiçam energia até à criação de computadores quânticos mais eficientes. Para atingir esse objetivo, investigadores do MIT e de outras instituições estão a explorar supercondutores “não convencionais”, materiais que desafiam as regras tradicionais e podem levar ao próximo grande avanço.
A descoberta do grafeno de ângulo mágico pelo MIT
Em um passo importante, os físicos do MIT observaram evidências claras de supercondutividade não convencional no grafeno de três camadas torcido de “ângulo mágico” (MATTG). Este material único é feito empilhando três folhas de grafeno da espessura de um átomo em um ângulo muito específico. Esta pequena torção altera dramaticamente as propriedades do material, dando origem a efeitos quânticos estranhos e promissores.
Embora estudos anteriores indicassem que o MATTG poderia hospedar supercondutividade não convencional, novos resultados foram publicados ciênciaOferece a confirmação mais direta até o momento.
Um novo olhar sobre a lacuna supercondutora
A equipe do MIT mediu com sucesso a lacuna supercondutora do MATTG, que indica quão forte é o estado supercondutor de um material em diferentes temperaturas. Eles descobriram que a lacuna no MATTG é completamente diferente daquela vista nos supercondutores convencionais. Esta diferença sugere que a forma como o MATTG se torna supercondutor depende de um mecanismo distinto e não convencional.
“Existem muitos processos diferentes que podem levar à supercondutividade nos materiais”, explicou o coautor Shuven Sun, estudante de pós-graduação do Departamento de Física do MIT.
A equipe fez a descoberta com um novo sistema experimental que permite observar diretamente como as lacunas supercondutoras se formam em materiais bidimensionais. Eles planejam usar a técnica para estudar MATTG e outros materiais 2D com mais detalhes, na esperança de identificar novos candidatos para tecnologia aprimorada.
“Compreender muito bem um supercondutor não convencional pode abrir a porta para a compreensão do resto de nós”, disse Pablo Jarrillo-Herrero, professor de física no MIT e autor sênior do estudo. “Essa compreensão pode orientar o projeto de supercondutores que operam em temperatura ambiente, por exemplo, o que é como o Santo Graal de todo o campo”.
Origem da Twistrônica
O grafeno é feito de uma única camada de átomos de carbono dispostos em um padrão hexagonal que se parece com um fio fino. Os cientistas podem descascar uma folha de grafeno da grafite (o mesmo material da grafite) para estudar suas propriedades. Na década de 2010, os pesquisadores previram que o empilhamento de duas camadas de grafeno em ângulos muito precisos poderia criar novos comportamentos eletrônicos.
Em 2018, o grupo de Jarillo-Herrero produziu experimentalmente o chamado grafeno de “ângulo mágico” e revelou suas propriedades notáveis. Este trabalho lançou um novo campo de pesquisa conhecido como “twisttrônica”, que estuda os efeitos surpreendentes que ocorrem quando materiais ultrafinos são empilhados e torcidos na orientação correta. Desde então, a equipe e outros exploraram diferentes tipos de estruturas de grafeno com múltiplas camadas, que revelam mais sinais de supercondutividade não convencional.
Como os elétrons cooperam?
A supercondutividade ocorre quando os elétrons se emparelham em vez de serem espalhados ao passar por um material. Este par de elétrons, conhecido como “pares de Cooper”, pode viajar sem resistência, criando uma corrente perfeita.
“Em supercondutores convencionais, esses pares de elétrons estão distantes e fracamente ligados”, disse o co-autor Jeong Min Park PhD ’24. “Mas no grafeno de ângulo mágico, já podíamos ver a assinatura de que estes pares estão fortemente ligados, quase como uma molécula. Havia indicações de que havia algo muito diferente neste material.”
Explorando o mundo quântico por meio de tunelamento
Para provar que o MATTG realmente exibe supercondutividade não convencional, os pesquisadores do MIT precisam medir diretamente a sua lacuna supercondutora. Como explica Park, “Quando um material se torna supercondutor, os eletrões movem-se juntos como pares, em vez de individualmente, e existe uma ‘lacuna’ de energia que reflete a forma como estão ligados. A forma e a simetria dessa lacuna revelam-nos a natureza subjacente da supercondutividade.”
Para fazer isso, os cientistas usaram uma técnica em escala quântica conhecida como espectroscopia de tunelamento. Nesse nível, os elétrons agem tanto como partículas quanto como ondas, permitindo-lhes “encaixar um túnel” através de barreiras que normalmente os deteriam. Ao estudar a facilidade com que os elétrons podem atravessar um material, os pesquisadores podem aprender o quão fortemente ligados eles estão dentro dele. No entanto, os resultados do tunelamento por si só nem sempre provam que um material é supercondutor, tornando as medições diretas importantes e desafiadoras.
Um olhar mais atento sobre a lacuna supercondutora
A equipe de Park desenvolveu uma nova plataforma que combina espectroscopia de tunelamento com medições de transporte elétrico, que envolvem o rastreamento de como a corrente flui através da resistência de um material (resistência zero significa que é supercondutor).
Usando este método no MATTG, os pesquisadores puderam identificar claramente a lacuna de tunelamento supercondutor – ela apareceu apenas quando o material atingiu resistência zero, o sinal definidor da supercondutividade. À medida que mudam a temperatura e o campo magnético, a lacuna exibe uma curva acentuada em forma de V, muito diferente do padrão suave e plano dos supercondutores convencionais.
Esta forma incomum de V indica um novo mecanismo por trás da supercondutividade do MATTG. Embora o mecanismo exato ainda seja desconhecido, agora está claro que este material se comporta de forma diferente de qualquer supercondutor convencional descoberto anteriormente.
Um tipo diferente de emparelhamento de elétrons
Na maioria dos supercondutores, os elétrons estão emparelhados devido às vibrações na rede atômica circundante, que os aproximam. Park acredita que o MATTG funciona de maneira diferente.
“Neste sistema de grafeno de ângulo mágico, existem teorias que explicam que o emparelhamento provavelmente surge de fortes interações eletrônicas, e não de vibrações de rede”, diz ela. “Isso significa que os próprios elétrons ajudam a formar pares, criando um estado supercondutor com simetria especial.”
O caminho a seguir: materiais quânticos de próxima geração
A equipe do MIT planeja aplicar sua nova configuração experimental para estudar outros materiais torcidos e em camadas.
“Isso nos permite identificar e estudar a estrutura eletrônica subjacente à supercondutividade e outras fases quânticas na mesma amostra”, explica Park. “Essa visão direta poderia revelar como os elétrons se associam e competem com outros estados, abrindo caminho para projetar e controlar novos supercondutores e materiais quânticos que poderiam um dia alimentar tecnologias mais eficientes ou computadores quânticos.”
Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, pelo MIT/MTL Samsung Semiconductor Research Fund, pelo Programa Sagol WIS-MIT Bridge, pela National Science Foundation, pela Gordon and Betty Moore Foundation e pela Ramon Areces Foundation.
