A descoberta em 2018 da supercondutividade em duas camadas de grafeno com a espessura de um único átomo empilhadas em um ângulo preciso de 1,1 graus (chamado de grafeno de bicamada torcida de ângulo ‘mágico’) veio como uma grande surpresa para a comunidade científica. Desde a descoberta, os físicos perguntaram se a supercondutividade do grafeno mágico pode ser entendida usando a teoria existente, ou se fundamentalmente novas abordagens são necessárias – como aquelas que estão sendo organizadas para entender o misterioso composto de cerâmica que superconduz em altas temperaturas.
Agora, conforme relatado na revista Nature, os pesquisadores de Princeton resolveram esse debate mostrando uma semelhança fantástica entre a supercondutividade do grafeno mágico e a dos supercondutores de alta temperatura. O grafeno mágico pode ser a chave para desbloquear novos mecanismos de supercondutividade, incluindo a supercondutividade de alta temperatura.
Ali Yazdani, professor de física da turma de 1909 e diretor do Centro de Materiais Complexos da Universidade de Princeton liderou a pesquisa. Ele e sua equipe estudaram muitos tipos diferentes de supercondutores ao longo dos anos e recentemente voltaram sua atenção para o grafeno de camada dupla mágica.
“Alguns argumentaram que o grafeno de camada dupla mágica é na verdade um supercondutor comum disfarçado em um material extraordinário”, disse Yazdani, “mas quando o examinamos microscopicamente, ele tem muitas das características dos supercondutores de cuprato de alta temperatura. É um momento de déjà vu.”
A supercondutividade é um dos fenômenos mais intrigantes da natureza. É um estado em que os elétrons fluem livremente sem qualquer resistência. Elétrons são partículas subatômicas que carregam cargas elétricas negativas; eles são vitais para o nosso estilo de vida porque alimentam nossos eletrônicos diários. Em circunstâncias normais, os elétrons se comportam de maneira errática, pulando e se chocando uns contra os outros de uma maneira que é ineficiente e desperdiça energia.
Mas sob a supercondutividade, os elétrons de repente se emparelham e começam a fluir em uníssono, como uma onda. Nesse estado, os elétrons não apenas não perdem energia, mas também exibem muitas novas propriedades quânticas. Essas propriedades permitiram uma série de aplicações práticas, incluindo ímãs para ressonâncias magnéticas e aceleradores de partículas, bem como na fabricação de bits quânticos que estão sendo usados para construir computadores quânticos. A supercondutividade foi descoberta pela primeira vez em temperaturas extremamente baixas em elementos como alumínio e nióbio. Nos últimos anos, foi encontrado próximo à temperatura ambiente sob pressão extraordinariamente alta, e também em temperaturas logo acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido (77 graus Kelvin) em compostos cerâmicos.
Mas nem todos os supercondutores são criados iguais.
Supercondutores feitos de elementos puros como o alumínio são o que os pesquisadores chamam de convencionais. O estado supercondutivo – onde os elétrons se emparelham – é explicado pelo que é chamado de teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Esta tem sido a descrição padrão de supercondutividade que existe desde o final dos anos 1950. Mas, a partir do final da década de 1980, novos supercondutores foram descobertos que não se encaixavam na teoria BCS. Os mais notáveis entre esses supercondutores “não convencionais” são os óxidos de cobre cerâmicos (chamados cupratos) que permaneceram um enigma nos últimos trinta anos.
A descoberta original da supercondutividade no grafeno de camada dupla mágica por Pablo Jarillo-Herrero e sua equipe no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) mostrou que o material começa primeiro como isolante, mas, com a pequena adição de portadores de carga, torna-se supercondutor. O surgimento da supercondutividade de um isolante, em vez de um metal, é uma das marcas registradas de muitos supercondutores não convencionais, incluindo os mais famosos os cupratos.
“Eles suspeitaram que a supercondutividade poderia ser não convencional, como os cupratos, mas infelizmente não tinham nenhuma medição experimental específica do estado supercondutor para apoiar esta conclusão”, disse Myungchul Oh, um associado de pesquisa de pós-doutorado e um dos co-autores principais do o papel.
Para investigar as propriedades supercondutoras do grafeno de camada dupla mágica, Oh e seus colegas usaram um microscópio de tunelamento de varredura (STM) para visualizar o mundo infinitesimalmente pequeno e complexo dos elétrons. Este dispositivo se baseia em um novo fenômeno chamado “tunelamento quântico”, onde os elétrons são canalizados entre a ponta metálica afiada do microscópio e a amostra. O microscópio usa essa corrente de tunelamento em vez de luz para ver o mundo dos elétrons na escala atômica.
“STM é uma ferramenta perfeita para fazer esses tipos de experimentos”, disse Kevin Nuckolls, um estudante de pós-graduação em física e um dos principais co-autores do artigo. “Existem muitas medições diferentes que o STM pode fazer. Ele pode acessar variáveis físicas que normalmente são inacessíveis a outras [técnicas experimentais].”
Quando a equipe analisou os dados, eles notaram duas características principais, ou “assinaturas”, que se destacaram, avisando que a amostra de grafeno de camada dupla mágica estava exibindo supercondutividade não convencional. A primeira assinatura era que os elétrons emparelhados que superconduzem têm um momento angular finito, um comportamento análogo ao encontrado nos cupratos de alta temperatura vinte anos atrás. Quando os pares se formam em um supercondutor convencional, eles não têm um momento angular líquido, de maneira análoga a um elétron ligado ao átomo de hidrogênio no orbital s do hidrogênio.
O STM opera tunelando elétrons para dentro e para fora da amostra. Em um supercondutor, onde todos os elétrons estão emparelhados, a corrente entre a amostra e a ponta do STM só é possível quando os pares do supercondutor são separados. “É preciso energia para separar o par, e a dependência de energia desta corrente depende da natureza do emparelhamento. No grafeno mágico encontramos a dependência de energia que é esperada para o emparelhamento de momentum finito”, disse Yazdani. “Esta descoberta restringe fortemente o mecanismo microscópico de emparelhamento no grafeno mágico.”
A equipe de Princeton também descobriu como o grafeno de camada dupla mágica se comporta quando o estado supercondutor é extinto pelo aumento da temperatura ou pela aplicação de um campo magnético. Em supercondutores convencionais, o comportamento do material é o mesmo de um metal normal quando a supercondutividade é morta – os elétrons se desemparelham. No entanto, em supercondutores não convencionais, os elétrons parecem reter alguma correlação mesmo quando não são supercondutores, uma situação que se manifesta quando há aproximadamente um limiar de energia para a remoção de elétrons da amostra. Os físicos referem-se a essa energia limite como um “pseudogap”, um comportamento encontrado no estado não supercondutor de muitos supercondutores não convencionais. Sua origem é um mistério há mais de vinte anos.
“Uma possibilidade é que os elétrons ainda estejam pareados, embora a amostra não seja supercondutora”, disse Nuckolls. “Esse estado de pseudogap é como um supercondutor falho.”
A outra possibilidade, observada no artigo da Nature, é que alguma outra forma de estado eletrônico coletivo, que é responsável pelo pseudogap, deve primeiro se formar antes que a supercondutividade possa ocorrer.
“De qualquer forma, a semelhança de uma assinatura experimental de um peusdogap com os cuprates, bem como o emparelhamento de momentum finito, não pode ser toda uma coincidência”, disse Yazdani. “Esses problemas parecem muito relacionados.”
Pesquisas futuras, disse Oh, envolverão tentar entender o que faz os elétrons formarem pares na supercondutividade não convencional – um fenômeno que continua a incomodar os físicos. A teoria BCS se baseia na interação fraca entre os elétrons, com seu emparelhamento possível devido à interação mútua com a vibração subjacente dos íons. O emparelhamento de elétrons em supercondutores não convencionais, no entanto, costuma ser muito mais forte do que em metais simples, mas sua causa – a “cola” que os une – atualmente não é conhecida.
“Espero que nossa pesquisa ajude a comunidade da física a entender melhor a mecânica da supercondutividade não convencional”, disse Oh. “Esperamos ainda que nossa pesquisa motive os físicos experimentais a trabalharem juntos para descobrir a natureza desse fenômeno.”
O estudo, “Evidência de supercondutividade não convencional em Twisted Bilayer Graphene”, foi publicado em 20 de outubro de 2021 na revista Nature.
Publicado em 22/10/2021 11h14
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