A supercondutividade foi descoberta em dispositivos de grafeno sem qualquer torção, sugerindo que a forma de supercondutividade no material pode ser comum, afinal.
Três anos atrás, os físicos descobriram que duas folhas empilhadas de carbono com uma torção minúscula de 1,1 grau entre elas podiam exibir uma gama impressionante de comportamentos. O mais famoso é que, quando resfriado a baixas temperaturas, o material conduz eletricidade com resistência zero.
Os pesquisadores correram para descobrir por que o grafeno de duas camadas torcidas (como é chamado) se torna um supercondutor, com uma forma de supercondutividade que parece excepcionalmente robusta. Muitos teóricos esperavam que a descoberta reescrevesse sua compreensão da supercondutividade e talvez até permitisse aos pesquisadores criar materiais capazes de sustentar o fenômeno em temperaturas mais altas.
Mas o foco intenso naquela torção entre as folhas de grafeno pode ter sido um caso de desorientação. Uma equipe de físicos anunciou hoje em uma conferência online que eles observaram supercondutividade em uma pilha de grafeno de três andares sem torções em tudo. A descoberta, liderada por Andrea Young e Haoxin Zhou, da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, pode reiniciar as discussões sobre a supercondutividade no grafeno. Isso levou alguns teóricos a suspeitar que a supercondutividade do grafeno é a variedade baunilha, afinal.
“Essa é uma descoberta muito importante que mostra que a supercondutividade [no grafeno] é, em certo sentido, regular”, disse Sankar Das Sarma, um físico teórico de matéria condensada da Universidade de Maryland que não esteve envolvido na pesquisa.
Mas a evidência da supercondutividade convencional não é conclusiva. E os pesquisadores observam que a supercondutividade do grafeno torcido ainda pode ser exótica, mesmo que a do grafeno não torcido não seja.
Albert Einstein, Richard Feynman e Werner Heisenberg são apenas alguns dos titãs da física do século 20 que tentaram e não conseguiram entender por que muitos metais carregam corrente sem resistência em baixas temperaturas. Em 1957, quase meio século após a descoberta desse tipo padrão de supercondutividade, John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer finalmente explicaram o fenômeno, uma conquista que lhes rendeu o Prêmio Nobel de Física.
Eles determinaram que as ondas sonoras nos metais – ondulações onde os átomos se agrupam, chamados fônons – criam concentrações de carga positiva que atraem elétrons, que são carregados negativamente. Os fônons unem os elétrons em “pares de Cooper”. Acoplados dessa forma, os elétrons obedecem a diferentes regras da mecânica quântica, fundindo-se em um fluido quântico cujo fluxo não é mais obstruído pelos átomos na rede. Esta teoria mediada por fônons, conhecida (após as iniciais de seus autores) como BCS, corresponde a quase todos os experimentos de supercondutividade.
Formas alternativas de colar elétrons funcionam no papel, e os experimentalistas viram sinais de colas “não convencionais” intrigantemente fortes em alguns supercondutores, mas essas afirmações permanecem sem solução.
“É como se alguém dissesse que em algum vilarejo muito distante em alguma ilha há pessoas com três cabeças”, disse Das Sarma. “Você deve ser muito, muito cético.”
Em 2018, alguns pesquisadores pensaram que poderiam ter tropeçado em apenas uma ilha mítica de supercondutividade exótica, uma vez que o grafeno de dupla camada torcida parecia de alguma forma ligar os elétrons muito mais fortemente do que a maioria dos supercondutores. A excitação aumentou no início deste ano com a descoberta da supercondutividade em um sistema semelhante: três camadas de grafeno torcidas em seu próprio ângulo especial. Ambos os sistemas compartilhavam uma simetria rotacional rara de 180 graus, que os teóricos argumentaram que poderia apoiar uma forma especialmente exótica de supercondutividade baseada em vórtices de elétrons conhecidos como skyrmions.
Mas a nova encarnação do grafeno supercondutor parece surpreendentemente simples.
O grafeno de três camadas ABC, como Young e seus colegas chamam sua pilha de grafeno, é um dos materiais mais limpos e simples que eles poderiam fazer. A segunda e a terceira camadas são deslocadas em vez de torcidas, cada uma empurrada por um meio-favo de mel adicional, de modo que os átomos de carbono abaixo caem no centro das redes acima.
Empilhar folhas de grafeno é difícil, com ou sem torções. Dispositivos torcidos são crivados de rugas que interrompem o ângulo mágico em diferentes zonas, tornando cada aparelho único. Mesmo quando Young e seus colegas fabricaram seus dispositivos ABC de três camadas, a maioria das tentativas retornou a um padrão de empilhamento alternativo. Mas – ao contrário das amostras distorcidas complicadas – as que permaneceram no lugar eram idênticas até o último átomo. Os átomos “fixam-se no lugar como Legos”, disse Young.
Assim que a equipe teve seu primeiro dispositivo ABC, eles usaram um campo elétrico ajustável para embaralhar os elétrons entre as camadas primitivas. Enquanto eles ajustavam a distribuição de elétrons em temperaturas criogênicas, eles viram que o sistema se comportava da mesma forma que o grafeno retorcido, saltando entre vários tipos de comportamento magnético, conforme indicado pelas mudanças em como o dispositivo reduzia a velocidade da corrente elétrica. Eles postaram seus resultados em uma pré-impressão de abril.
Quando eles examinaram as transições com mais detalhes, eles identificaram breves oscilações de resistência elétrica zero – supercondutividade – quando o material estava cerca de um décimo de grau acima do zero absoluto.
Embora Young e seus colegas não tenham como espiar os pares de elétrons de Cooper diretamente, eles descobriram um comportamento que Bardeen, Cooper e Schrieffer reconheceriam: mover elétrons entre as três camadas aumentou o número de configurações possíveis que os elétrons podem escolher, uma quantidade conhecido como a “densidade de estados” do sistema. Em altas densidades de estados, os elétrons podem confraternizar mais facilmente entre si. A teoria BCS prevê que essa liberdade eletrônica auxilia na formação de pares de Cooper, e é isso que os pesquisadores descobriram: conforme a densidade dos estados aumentava, o material exibia dois pontos de supercondutividade.
Uma vez que a equação BCS parece ser válida, os fônons comuns podem ser responsáveis pela supercondutividade.
“É grasnar como um pato e andar como um pato”, disse Das Sarma. “Fônons são presumidos naturalmente”.
Outros estão menos convencidos, observando que as evidências que apóiam os fonons no grafeno de três camadas ABC permanecem imprecisas. A supercondutividade parece acompanhar a maior densidade de estados, mas isso não significa que a equação BCS seja obedecida em detalhes, disse Mike Zaletel, físico de matéria condensada da Universidade da Califórnia em Berkeley que consultou Young durante a pesquisa e ajudou a desenvolver a teoria skyrmion da supercondutividade.
Nos dados de Young, Zaletel vê indícios de um tipo levemente exótico de supercondutividade – algo como uma ilha com uma população de seis dedos, em vez de pessoas com três cabeças. Ele explicou que os dois flashes de supercondutividade apareceram imediatamente antes dos elétrons se organizarem em estados ferromagnéticos, onde suas direções de spin ficaram alinhadas. À medida que as regiões dos elétrons começaram a se alinhar, esses bolsões flutuantes de uniformidade poderiam ter conduzido os elétrons em pares de Cooper da mesma forma que os fônons.
O grupo de Young já está testando se o ferromagnetismo é a chave para o início da supercondutividade no grafeno de camada tripla ABC, ou se é irrelevante – o que daria uma dica de fônons convencionais.
Muitos físicos se sentem otimistas de que a nova plataforma de Young os ajudará a descobrir como os elétrons se superconduzem no grafeno. As idiossincrasias de cada dispositivo de grafeno torcido tornavam impossível, mesmo para um laboratório individual, replicar de forma idêntica seus próprios resultados. O grafeno de três camadas ABC, com seu layout perfeito, supera esse desafio.
“Os materiais são complicados e eles costumam mentir para nós”, disse Steven Kivelson, um físico teórico da Universidade de Stanford. “O que é empolgante sobre este desenvolvimento” é que ele promete materiais reproduzíveis, “para que todos possam obter a mesma resposta”.
Visto que o grafeno ABC pode se tornar um supercondutor e vários tipos de ímã, tudo sem torções ou outros truques óbvios, ele também sugere que uma gama muito mais ampla de materiais razoavelmente comuns pode conter magia esquecida. Essa versatilidade material “pode estar escondida à vista de todos com muito mais freqüência do que pensávamos”, disse Young.
Publicado em 16/06/2021 09h52
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