O grafeno pode ser superconduzido ao ser colocado próximo a um condensado de Bose-Einstein – uma forma de matéria na qual todos os átomos estão no mesmo estado quântico. De acordo com os teóricos que o descobriram, este novo tipo de supercondutividade decorre de interações entre os elétrons no grafeno e quasipartículas chamadas “bogolons” no condensado. Se demonstrado experimentalmente, o trabalho poderá possibilitar o desenvolvimento de novos tipos de dispositivos supercondutores híbridos para aplicações em sensoriamento quântico e computação quântica.
A supercondutividade convencional ocorre quando os fônons – quasipartículas que surgem de vibrações na estrutura cristalina de um material – fazem com que os elétrons no material se pareçam, apesar de sua repulsão eletromagnética mútua. Se o material for resfriado a temperaturas suficientemente baixas, esses pares de elétrons (conhecidos como pares de Cooper) podem viajar por ele sem qualquer resistência.
Os condensados de Bose-Einstein (BECs) se formam quando os bósons, ou partículas com spin quântico inteiro, são resfriados até que todos estejam no mesmo estado quântico. Dentro desse “quinto estado da matéria” especial, podem se desenvolver quasipartículas chamadas de excitações de Bogoliubov. Nomeado após o físico russo Nikolaï Bogoliubov, que foi o primeiro a fornecer uma descrição teórica deles, essas quasipartículas são geralmente conhecidas como bogolons. Ivan Savenko, que liderou a pesquisa no Instituto de Ciências Básicas (IBS) na Coréia, explica que os bogolons são semelhantes aos fônons no sentido de que também servem como mediadores para a atração elétron-elétron.
Bom condutor, mau supercondutor
O grafeno – uma rede de carbono semelhante a um favo de mel com apenas um átomo de espessura – tem várias propriedades eletrônicas exclusivas. Muitos deles decorrem do fato de ser um semimetal sem lacuna de energia entre suas bandas de valência e de condução. Na região onde essas duas bandas se encontram (conhecido como ponto de Dirac), a relação entre a energia e o momento dos portadores de carga (elétrons e lacunas) no grafeno é descrita pela equação de Dirac, em vez da equação de Schrödinger padrão, como é o caso para a maioria dos materiais cristalinos. A presença dessas estruturas de banda incomuns (conhecidas como cones de Dirac) permite que os portadores de carga no grafeno se comportem como partículas sem massa.
Essa ausência de massa efetiva torna os elétrons do grafeno altamente móveis, o que significa que o material é um condutor muito bom. No entanto, é apenas fracamente supercondutor porque a densidade dos estados eletrônicos próximos ao seu ponto de Dirac é pequena. Isso significa que o grafeno deve ser resfriado a temperaturas extremamente baixas antes de se tornar um supercondutor – de acordo com a regra de que “bons” condutores (incluindo metais como ouro e cobre, bem como grafeno) tornam-se supercondutores “ruins”.
Savenko e seus colegas descobriram agora uma maneira de fazer o grafeno quebrar essa regra. Em seus cálculos, eles mostraram que, se o grafeno for colocado nas proximidades de um BEC, as interações entre bogolons e elétrons (que têm spin quântico meio inteiro e são, portanto, férmions em vez de bósons) são bastante fracas. No entanto, a situação muda quando pares de bogolons estão envolvidos. “Nesse caso, podemos alcançar uma supercondutividade robusta e de temperatura relativamente alta”, disse Savenko à Physics World, acrescentando que a equipe calculou uma temperatura de transição supercondutora de 70 K.
Os pesquisadores, que relatam seu trabalho em materiais 2D, estão agora explorando se outros sistemas de bósons também poderiam fazer superconduto de grafeno. Esses outros sistemas podem incluir polaritons e magnons, diz Savenko.
Publicado em 07/09/2021 20h14
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