Nos últimos três anos, os elétrons têm brincado com físicos.
O jogo começou em 2018 quando o laboratório de Pablo Jarillo-Herrero anunciou a descoberta da década: quando os pesquisadores empilharam uma folha plana de átomos de carbono em cima da outra, aplicaram uma torção “mágica” de 1,1 grau entre eles e, em seguida, resfriaram o wafers atômicos até quase zero absoluto, a amostra se tornou um conduíte perfeito de elétrons.
Como as partículas estavam conspirando para deslizar perfeitamente pelas folhas de grafeno? O padrão caleidoscópico “moiré” criado pelo ângulo de inclinação parecia significativo, mas ninguém sabia ao certo. Para descobrir, os pesquisadores começaram a torcer e empilhar todos os materiais que puderam colocar as mãos.
No início, os elétrons atuaram. Experiência após experiência descobriu que, em uma variedade de materiais planos, as temperaturas frias trouxeram resistência elétrica em queda livre. Uma compreensão mais profunda das condições necessárias para a condução ideal parecia próxima e, com ela, um passo tentador em direção a uma revolução eletrônica.
“Parecia que a supercondutividade estava em toda parte”, disse Matthew Yankowitz, um físico de matéria condensada da Universidade de Washington, “não importa para qual sistema você olhasse”.
Mas os elétrons se mostraram tímidos. À medida que os pesquisadores inspecionavam suas amostras com mais cuidado, as instâncias de supercondutividade desapareceram. Em alguns materiais, a resistência não estava realmente chegando a zero. Em outros, testes diferentes ofereceram resultados conflitantes. Somente no grafeno de camada dupla original os elétrons atingiam regularmente um fluxo sem atrito.
“Tínhamos um zoológico de diferentes materiais torcidos, e o grafeno de duas camadas torcidas era o único que era claramente um supercondutor”, disse Yankowitz.
Então, no mês passado, dois artigos publicados nas revistas Nature and Science descreveram um segundo supercondutor relacionado, um sanduíche de grafeno de três camadas com as folhas de “pão” alinhadas e a folha de enchimento enviesada em 1,56 graus. A habilidade inconfundível de transportar elétrons do grafeno de três camadas torcidas confirma que o sistema de duas pastilhas não foi um acaso. “Foi o primeiro de uma família de supercondutores moiré”, disse Jarillo-Herrero, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que também liderou um dos novos experimentos, “e este é o segundo membro da família”.
É importante ressaltar que esse segundo irmão ajudou a iluminar um mecanismo subjacente que pode ser o que alimenta a supercondutividade desses materiais.
Nos meses que se seguiram à descoberta de 2018, um grupo de teóricos começou a questionar o mecanismo que tornava o grafeno de camada dupla superconduto. Eles suspeitavam que um traço geométrico específico poderia permitir que os elétrons se transformassem em redemoinhos exóticos que se comportam de uma maneira inteiramente nova. Este mecanismo, diferente de qualquer um dos (poucos) esquemas conhecidos responsáveis pela supercondutividade, explicaria o sucesso supercondutor do grafeno de dupla camada, bem como a falha de outros materiais. Ele também previu que o irmão de três camadas do grafeno também superconduziria.
Mas permaneceu apenas uma teoria – pelo menos até que os laboratórios tivessem a chance de testá-la. “Pelo que sabemos agora, parece uma direção empolgante”, disse Eslam Khalaf, pesquisador da Universidade de Harvard que ajudou a desenvolver o modelo. “Não é todo dia que temos uma nova maneira de obter supercondutividade.”
Três milagres
Em um mundo confuso onde o atrito é abundante e as partículas nunca param de verdade, um fenômeno tão perfeito quanto a supercondutividade não tem o direito de existir. No entanto, metais cotidianos como o mercúrio regularmente se recuperam em baixas temperaturas, Heike Kamerlingh Onnes descobriu por acidente no início do século 20.
O segredo era que perto do zero absoluto, as vibrações na rede atômica de um metal conduzem os elétrons livres aos pares. Esses pares cooperam de maneiras que os elétrons individuais não conseguem, formando um “superfluido” mecânico quântico unificado que flui através de um material sem uma única colisão elétron-átomo (o que geraria calor e resistência). A teoria original da supercondutividade, desenvolvida em 1957, a descreveu como uma dança eletrônica delicada que todos, exceto os ambientes mais ideais, perturbariam. “É uma espécie de milagre eles formarem pares, porque os elétrons se repelem com muita força”, disse Ashvin Vishwanath, um físico teórico de Harvard.
Os pesquisadores perceberam que os elétrons realizavam um segundo milagre em 1986, desta vez em uma família de compostos de cobre conhecidos como cupratos. Os materiais eram de alguma forma capazes de se manter supercondutores dezenas de graus acima da temperatura que normalmente dividiria os pares de elétrons convencionais. Um novo mecanismo parecia estar em ação, provavelmente envolvendo principalmente os próprios elétrons, em vez de sua estrutura atômica.
Mas depois de décadas de estudos intensos, os pesquisadores ainda não têm certeza de como os elétrons nos cupratos orquestram seus empreendimentos supercondutores. Prever o comportamento de coletivos de elétrons envolve um cálculo de força bruta do efeito de cada partícula em todas as outras – um cálculo cuja complexidade aumenta exponencialmente com o número de elétrons. Para entender até mesmo uma partícula minúscula de um supercondutor, os teóricos precisariam entender o comportamento de enxames de elétrons que chegam a trilhões. As simulações atuais podem lidar com cerca de uma dúzia.
Os experimentalistas não estão em uma posição muito melhor. Eles podem cultivar novos cristais, trocando este átomo por aquele, e testar suas propriedades. Mas os materiais não revelam o que os elétrons estão fazendo por dentro. E os pesquisadores não sabem como um material se comportará até que realmente o fabricem. “Ninguém poderia dizer que vou fazer este novo [cuprate]”, disse Yankowitz, “e prever qual será a [temperatura onde ele superconduz]. Essa é uma tarefa ridiculamente difícil agora.”
As características únicas do grafeno bicamada torcido o tornaram mais transparente do que os cupratos. Em vez de forjar uma substância totalmente nova, os experimentalistas poderiam ajustar as propriedades do grafeno com nada mais do que um campo elétrico, tornando-o, para muitos pesquisadores, um “playground” para a supercondutividade.
“Esse é o problema excitante e a coisa maravilhosa sobre o grafeno de camada dupla torcida”, disse Subir Sachdev, um físico da matéria condensada em Harvard. “Ele fornece um conjunto totalmente novo de ferramentas para investigar como os elétrons estão se movendo.”
Também ofereceu orientação teórica. No ângulo mágico de precisamente 1,1 graus, as estruturas em favo de mel do grafeno se fundem de tal forma que normalmente os elétrons velozes se arrastam lentamente – os físicos descrevem o material como tendo “faixas planas”. Os elétrons lentos passam mais tempo juntos, dando-lhes a chance de se organizar.
Mas a orientação era vaga. Os elétrons em materiais com bandas planas podem se socializar de muitas maneiras, das quais formar pares supercondutores é apenas uma. Os pesquisadores empilharam muitas bolachas atômicas em ângulos mágicos de achatamento da faixa, mas o relâmpago supercondutor se recusou a ser engarrafado.
Eles pareciam estar perdendo algo crucial.
Swirling Skyrmions
Logo após a descoberta de março de 2018 da supercondutividade no grafeno retorcido, Vishwanath e seus colegas começaram a tentar desmistificar o ângulo mágico e entender o que pode estar mantendo os elétrons juntos.
Escrever uma teoria que capturasse totalmente o movimento de elétrons indisciplinados no grafeno de duas camadas era impossível, então os teóricos começaram imaginando partículas que se comportavam um pouco melhor. Eles trataram a rede hexagonal do grafeno como duas sub-redes de triângulos. À medida que os elétrons se movem de átomo a átomo, eles geralmente saltam para um átomo na grade oposta. Ocasionalmente, um rebelde salta para um átomo na mesma grade.
Vishwanath e companhia insistiram que os elétrons sempre trocassem de grade. Essa escolha tornou a divisão da grade hexagonal em grades triangulares mais matematicamente. E no grafeno de duas camadas, com suas duas camadas, ele revelou uma característica obscura que eventualmente se tornaria importante: os elétrons, quando restringidos dessa forma, começaram a se mover como se estivessem sob a influência de um campo magnético. Especificamente, os elétrons em uma sub-rede pareciam sentir um campo magnético positivo, enquanto os elétrons na outra sub-rede pareciam negativos. Os teóricos não o reconheceram muito bem, mas a chave para uma nova teoria da supercondutividade os estava encarando.
Depois de usar a teoria para derivar o ângulo mágico de 1,1 graus no grafeno de duas camadas em agosto de 2018, Vishwanath e seus colegas começaram a acumular mais camadas de grafeno. A teoria, que foi originalmente projetada para duas camadas, se encaixou nas novas estruturas muito melhor do que o esperado. Eles descobriram que podiam calcular o ângulo mágico para uma pilha de grafeno após a outra com proporções simples que pareciam imunes às complexidades crescentes dos sistemas mais espessos.
“Especialmente na física da matéria condensada, você acha que está fazendo algo muito próximo da realidade física ou mesmo prática”, disse Vishwanath. “Mas de vez em quando você tem um vislumbre desse mundo ideal que está vivendo para trás.”
À medida que o grupo explorava mais, adicionando detalhes mais realistas à teoria, a supercondutividade apareceu, mas de uma forma inteiramente nova. Talvez não fossem pares de elétrons que estavam se formando, mas tempestades de elétrons conhecidas como skyrmions. Como o grafeno de duas camadas tem duas camadas, ele tem quatro sub-redes, mas as sub-redes com a mesma carga magnética atuam como uma. Os campos magnéticos efetivos fazem com que os elétrons que visitam os átomos de uma grade queiram apontar para cima, enquanto os elétrons da outra grade queiram apontar para baixo. Essa configuração pode travar os elétrons no lugar para que o sistema se comporte como um isolante. (Curiosamente, experimentos com cupratos e grafeno de dupla camada torcida sugerem que ambos os materiais agem como isolantes pouco antes de começarem a superconduzir).
Mas se você perturbar o equilíbrio com carga adicional, os elétrons em cada sub-rede podem assumir um padrão de vórtice coletivo – um skyrmion – onde o elétron girando no olho da tempestade aponta para cima (ou para baixo) e seus vizinhos se achatam em uma espiral semelhante padronizar.
Embora milhares de elétrons possam entrar em um skyrmion de grafeno, o vórtice age como se fosse uma partícula com a carga de um elétron. Você pode esperar que os skyrmions negativos se repelam, mas as regras da mecânica quântica que governam como os elétrons saltam entre as duas sub-redes, na verdade, desenham skyrmions nas grades opostas juntas. Em outras palavras, eles formam pares de cargas semelhantes a elétrons – o requisito fundamental para a supercondutividade.
A chave para a história do skyrmion é a simetria rotacional de 180 graus que dita as transferências de elétrons entre as sub-redes triangulares. Um retângulo tem a mesma simetria. Um hexágono tem. Uma estrutura retangular ou hexagonal tem. Mas empilhar e torcer folhas de praticamente qualquer coisa além de grafeno quebra isso. Por fim, Vishwanath e seus colegas foram capazes de explicar por que o zoológico de treliças retorcidas falhou na supercondução.
“Este foi o momento em que tudo se encaixou”, disse Khalaf.
Teoria Encontra Grafeno
Jarillo-Herrero já pensava que as coisas boas podem vir em três. Elétrons em materiais com bandas planas se movem devagar o suficiente para que as partículas trabalhem juntas, mas a supercondutividade pode receber um impulso de bandas “dispersivas”, onde os pares viajam mais facilmente. O grafeno de duas camadas torcidas tem o primeiro. Uma única camada de grafeno tem o último. Empilhá-los pode nos dar o melhor dos dois mundos.
Então veio a previsão do grupo de Vishwanath de que 1,5 graus era o ângulo mágico para conjurar skyrmions supercondutores em três camadas de grafeno.
Com esses argumentos em mente, o laboratório de Jarillo-Herrero, bem como o laboratório de Philip Kim em Harvard, começaram a trabalhar fazendo pilhas de três camadas de folhas de grafeno. Ambos os laboratórios viram tudo o que os teóricos previram e muito mais.
Se o grafeno de duas camadas é um playground para a supercondutividade, o grafeno de três camadas parece ser o mais adequado. Não apenas os experimentalistas podem ajustar o número de elétrons na rede, eles também podem embaralhar elétrons entre as camadas à vontade com um segundo campo elétrico. Com essa flexibilidade, os pesquisadores podem buscar pontos supercondutores supercondutores fazendo com que os elétrons pareçam estar se movendo através de um sistema de duas camadas, um sistema de uma camada ou qualquer número de sistemas híbridos.
Usando essa capacidade de ajuste sem precedentes, os laboratórios verificaram que, ao contrário de outros materiais torcidos, o grafeno de três camadas passa em todos os testes de supercondutividade. Eles também encontraram vários indícios indiretos de que a supercondutividade ocorre de uma forma incomum.
Primeiro, os elétrons cooperam extremamente bem. Em supercondutores convencionais, onde aglomerados de átomos formam pares de elétrons livres, apenas 1 em 100.000 elétrons se junta ao superfluido supercondutor. Nos cupratos, participa cerca de 1 em 30 elétrons livres. Mas no sistema de três camadas, os pesquisadores estimam que até 1 em cada 10 participa.
As entidades nos pares supercondutores – sejam eles elétrons ou skyrmions – também ficam bastante próximas umas das outras. As extremidades dos duos de elétrons no alumínio super-resfriado se separam em 10.000 vezes a distância geral entre os elétrons, como uma sopa de longos filamentos de massa. No grafeno de três camadas, entretanto, os casais supercondutores se juntam como macarrão, com os objetos sentados tão perto de seu parceiro quanto de seus vizinhos.
Dado o quão difícil é saber o que está acontecendo dentro de um material no nível subatômico, é muito cedo para dizer se os skyrmions estão definitivamente supercondutores no grafeno multicamadas. Mas para Khalaf, os comportamentos estranhos vistos por Jarillo-Herrero e Kim combinam com os vórtices de elétrons.
Ao contrário dos pares de elétrons padrão, os pares skyrmion se ligam fortemente para uma supercondutividade altamente eficiente. Os objetos compostos também são grandes e amontoados juntos.
E em metais padrão, se você colocar os elétrons em um estado em que eles possam escolher entre muitas atividades possíveis, normalmente obterá a supercondutividade mais forte. Mas quando os pesquisadores deram aos elétrons no sistema de três camadas essa liberdade, a supercondutividade morreu. Talvez, disse Khalaf, seja porque o aumento da liberdade permite que os skyrmions desmoronem.
“Não acho que seja definitivo o fato de não ser um supercondutor convencional”, disse Cory Dean, físico da matéria condensada da Universidade de Columbia. Mas ele disse que a resposta incomum ao aumento da liberdade “é certamente um dado que aponta na outra direção”.
Se a simetria rotacional que Vishwanath e seus colegas identificaram realmente é crucial para a supercondutividade do grafeno multicamadas, os cientistas de materiais poderiam algum dia usar esse fato para guiá-los através de um campo de muitos bilhões de substâncias possíveis em direção a uma rede que pode manter seus elétrons juntos em um dia quente.
As cargas no grafeno torcido são espalhadas muito finas pelas células de moiré gigantes para superconduzir em altas temperaturas, mas o vínculo que as mantém unidas – sejam skyrmions ou qualquer outra coisa – parece forte. Um exame mais aprofundado do grafeno distorcido e das teorias que explicam suas propriedades estranhas poderia, esperam os pesquisadores, destilar a essência de sua supercondutividade robusta e apontar o caminho em direção a uma rede que pode receber mais calor.
“Se você obtiver a mesma física do skyrmion na escala [atômica]”, disse Sachdev, “então você realmente poderia usar isso”.
Publicado em 17/03/2021 00h12
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