Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab), desenvolveram um dispositivo de grafeno que é mais fino do que um cabelo humano, mas tem uma profundidade de características especiais. Ele muda facilmente de um material supercondutor que conduz eletricidade sem perder energia, para um isolante que resiste ao fluxo de corrente elétrica e de volta para um supercondutor – tudo com um simples toque de um interruptor. Suas descobertas foram relatadas hoje na revista Nature.
“Normalmente, quando alguém quer estudar como os elétrons interagem entre si em uma fase quântica supercondutora versus uma fase isolante, eles precisam examinar diferentes materiais. Com nosso sistema, você pode estudar tanto a fase de supercondutividade quanto a fase de isolamento em um “, disse Guorui Chen, principal autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Feng Wang, que liderou o estudo. Wang, um cientista do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, também é professor de física da UC Berkeley.
O dispositivo de grafeno é composto de três camadas de grafeno atomicamente finas (2-D). Quando imprensada entre camadas 2-D de nitreto de boro, forma um padrão repetitivo chamado superrede moiré. O material poderia ajudar outros cientistas a entender a mecânica complicada por trás de um fenômeno conhecido como supercondutividade de alta temperatura, onde um material pode conduzir eletricidade sem resistência a temperaturas mais altas do que o esperado, embora ainda centenas de graus abaixo do congelamento.
Em um estudo anterior, os pesquisadores relataram observar as propriedades de um isolante de Mott em um dispositivo feito de grafeno trilayer. Um isolante Mott é uma classe de material que, de alguma forma, deixa de conduzir eletricidade a centenas de graus abaixo do ponto de congelamento, apesar da teoria clássica prever a condutividade elétrica. Mas há muito se acredita que um isolante de Mott pode se tornar supercondutor adicionando mais elétrons ou cargas positivas para torná-lo supercondutor, explicou Chen.
Nos últimos 10 anos, os pesquisadores vêm estudando formas de combinar diferentes materiais em 2-D, geralmente começando com o grafeno – um material conhecido por sua capacidade de conduzir calor e eletricidade com eficiência. Fora desse corpo de trabalho, outros pesquisadores descobriram que as super-redes moiré formadas com grafeno exibem uma física exótica, como a supercondutividade, quando as camadas estão alinhadas no ângulo exato.
“Então, para este estudo, nos perguntamos: ‘Se nosso sistema de grafeno trilayer é um isolante de Mott, também poderia ser um supercondutor?'”, Disse Chen.
Abrindo o portão para um novo mundo da física
Trabalhando com David Goldhaber-Gordon, da Stanford University, e o Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, no SLAC National Accelerator Laboratory, e Yuanbo Zhang, da Fudan University, os pesquisadores usaram um refrigerador de diluição, que pode atingir temperaturas frias intensas de 40 millikelvins menos 460 graus Fahrenheit – para resfriar o dispositivo de nitreto de grafeno / boro até a temperatura em que os pesquisadores esperavam que a supercondutividade aparecesse perto da fase isolante de Mott, disse Chen.
Uma vez que o dispositivo atingiu uma temperatura de 4 kelvins (menos 452 graus Fahrenheit), os pesquisadores aplicaram uma série de tensões elétricas nos pequenos portões superiores e inferiores do dispositivo. Como eles esperavam, quando aplicavam um campo elétrico vertical alto nas portas superior e inferior, um elétron enchia cada célula do dispositivo de nitreto de grafeno / boro. Isso fez com que os elétrons se estabilizassem e permanecessem no lugar, e essa “localização” de elétrons transformou o dispositivo em um isolante de Mott.
Então, eles aplicaram uma tensão elétrica ainda maior nos portões. Para sua satisfação, uma segunda leitura indicou que os elétrons não estavam mais estáveis. Em vez disso, eles estavam viajando de um lugar para outro, passando de uma célula para outra e conduzindo eletricidade sem perda ou resistência. Em outras palavras, o dispositivo havia mudado da fase isolante de Mott para a fase supercondutora.
Chen explicou que a super-rede moiré de nitreto de boro de alguma forma aumenta as interações elétron-elétron que ocorrem quando uma tensão elétrica é aplicada ao dispositivo, um efeito que liga sua fase supercondutora. Também é reversível – quando uma tensão elétrica mais baixa é aplicada às portas, o dispositivo volta para um estado isolante.
O dispositivo multitarefa oferece aos cientistas um pequeno e versátil playground para estudar a interação entre átomos e elétrons em novos materiais supercondutores exóticos com uso potencial em computadores quânticos – computadores que armazenam e manipulam informações em qubits, que são tipicamente partículas subatômicas como elétrons ou fótons – Assim como novos materiais isolantes Mott que poderiam um dia transformar em realidade pequenos transistores de Mott em 2-D para microeletrônica.
“Este resultado foi muito estimulante para nós. Nunca imaginamos que o dispositivo de grafeno / nitreto de boro se sairia bem”, disse Chen. “Você pode estudar quase tudo com ele, de partículas individuais a supercondutividade. É o melhor sistema que conheço para estudar novos tipos de física”, disse Chen.
Este estudo foi apoiado pelo Centro de Novos Caminhos para a Coerência Quântica em Materiais (NPQC), um Centro de Pesquisa de Fronteira da Energia liderado pelo Berkeley Lab e financiado pelo Escritório de Ciência do DOE. O NPQC reúne pesquisadores do Berkeley Lab, do Argonne National Laboratory, da Universidade de Columbia e da UC Santa Barbara para estudar como a coerência quântica fundamenta fenômenos inesperados em novos materiais, como o grafeno trilayer, com vistas a usos futuros na ciência e tecnologia da informação quântica.
Publicado em 20/07/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-07-graphene-superconductor-tune.html
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