Os supercondutores funcionam como um trem expresso elétrico. Uma vez que a eletricidade entra, ela pode passar por ele sem qualquer resistência ou perda de energia. Devido a esta notável eficiência, os supercondutores tornaram-se fundamentais para tecnologias como scanners de ressonância magnética e aceleradores de partículas.
No entanto, estes supercondutores “convencionais” só funcionam em temperaturas extremamente baixas. Eles devem ser mantidos em sistemas de resfriamento especializados para manter seu estado supercondutor. Se os materiais puderem ser supercondutores a temperaturas mais quentes e práticas, poderão transformar a tecnologia moderna – desde a criação de redes de energia que não desperdiçam electricidade até computadores quânticos que permitem mais funcionalidades. Para atingir este objetivo, investigadores do MIT e de outras instituições estão a explorar supercondutores “não convencionais”, materiais que desafiam as regras dos materiais convencionais e podem levar ao próximo grande avanço.
Descoberta do grafeno de ângulo mágico do MIT
Os físicos do MIT deram um passo gigantesco, observando evidências claras de supercondutividade não convencional no grafeno de três camadas torcido em “ângulo mágico” (MATTG). Este material único é feito empilhando três folhas de grafeno atomicamente finas em um ângulo muito específico. Esta pequena torção altera dramaticamente as propriedades do material, criando efeitos quânticos estranhos e promissores.
Embora pesquisas anteriores sugerissem que o MATTG poderia ter supercondutividade não convencional, publicadas em ciênciafornecendo a confirmação mais direta até agora.
Uma nova perspectiva sobre a lacuna supercondutora
A equipe do MIT mediu com sucesso a lacuna de energia supercondutora do MATTG, que indica quão forte é o estado supercondutor de um material em diferentes temperaturas. Eles descobriram que as lacunas no MATTG pareciam completamente diferentes daquelas dos supercondutores convencionais. Esta diferença sugere que a forma como o MATTG se torna supercondutor depende de um mecanismo único e não convencional.
“Existem muitos mecanismos diferentes que podem levar à supercondutividade num material”, explica o co-autor Shuwen Sun, estudante de pós-graduação no Departamento de Física do MIT. “A lacuna supercondutora nos dá pistas sobre quais mecanismos poderiam produzir algo como um supercondutor à temperatura ambiente que poderia, em última análise, beneficiar a sociedade humana.”
A equipe fez essa descoberta com um novo sistema experimental que lhes permitiu observar diretamente como as lacunas supercondutoras se formam em materiais bidimensionais. Eles planejam usar esta técnica para estudar MATTG e outros materiais 2D com mais detalhes, na esperança de encontrar novos candidatos para tecnologia avançada.
“Compreender bem um supercondutor não convencional pode levar à nossa compreensão do resto”, disse Pablo Jarillo-Herrero, professor de física Cecil e Ida Green no MIT e autor sênior do estudo. “Esse entendimento pode orientar o projeto de supercondutores que operam em temperatura ambiente, por exemplo, que é o Santo Graal de todo o campo”.
A Origem da Twistrônica
O grafeno é feito de uma única camada de átomos de carbono dispostos em formato hexagonal que se parece com tela de arame. Os cientistas podem descascar um pedaço de grafeno da grafite (o mesmo material da grafite do lápis) para estudar suas propriedades. Na década de 2010, os pesquisadores previram que o empilhamento de duas camadas de grafeno em ângulos muito precisos poderia criar novos comportamentos eletrônicos.
Em 2018, a equipe de Jarillo-Herrero tornou-se a primeira a produzir experimentalmente o chamado grafeno de “ângulo mágico”, revelando suas propriedades extraordinárias. O trabalho abre um novo campo de pesquisa chamado “bispintrônica”, que estuda os efeitos surpreendentes que ocorrem quando materiais ultrafinos são empilhados e torcidos em direções precisas. Desde então, a equipe e outros exploraram várias estruturas multicamadas de grafeno, revelando mais sinais de supercondutividade não convencional.
Como os elétrons cooperam
A supercondutividade ocorre quando os elétrons formam pares à medida que se movem através de um material, em vez de se espalharem. Esses pares de elétrons são chamados de “pares de Cooper” e podem viajar sem qualquer resistência, criando uma corrente elétrica perfeita.
“Em supercondutores convencionais, os elétrons nesses pares estão distantes uns dos outros e são fracamente ligados”, disse o co-autor principal Jeong Min Park, Ph.D. ’24. “Mas no grafeno de ângulo mágico, já podemos ver características onde os pares estão fortemente ligados, quase como uma molécula. Há indícios de que há algo muito diferente neste material.”
Explore o mundo quântico através de túneis
Para provar que o MATTG é de fato supercondutor não convencional, os pesquisadores do MIT precisaram medir diretamente sua lacuna supercondutora. Como explica Parker, “Quando um material se torna supercondutor, os eletrões movem-se juntos em pares, em vez de individualmente, e existe uma ‘lacuna’ de energia que reflete a forma como estão ligados. A forma e a simetria desta lacuna dizem-nos sobre as propriedades fundamentais da supercondutividade.”
Para fazer isso, os cientistas usaram uma técnica em escala quântica chamada espectroscopia de tunelamento. Nesse nível, os elétrons agem tanto como partículas quanto como ondas, o que lhes permite “fazer um túnel” através de obstáculos que normalmente os deteriam. Ao estudar a facilidade com que os elétrons se movem através de um material, os pesquisadores podem aprender até que ponto eles estão presos dentro do material. No entanto, os resultados do tunelamento por si só nem sempre provam que um material é supercondutor, por isso as medições diretas são críticas e desafiadoras.
Um olhar mais atento sobre a lacuna supercondutora
A equipe de Park desenvolveu uma nova plataforma que combina espectroscopia de tunelamento com medições de transporte elétrico, que envolve rastrear como a eletricidade viaja através de um material enquanto monitora sua resistência (resistência zero significa que é supercondutor).
Usando este método no MATTG, os pesquisadores puderam identificar claramente a lacuna do túnel supercondutor – que só aparece quando o material atinge resistência zero, o sinal definidor da supercondutividade. À medida que variavam a temperatura e o campo magnético, as lacunas assumiam uma curva acentuada em forma de V, muito diferente dos padrões suaves e planos típicos dos supercondutores convencionais.
Esta forma incomum de V sugere um novo mecanismo por trás da supercondutividade do MATTG. Embora o processo exato permaneça desconhecido, agora está claro que o material se comporta de maneira diferente de qualquer supercondutor convencional descoberto anteriormente.
Um tipo diferente de emparelhamento de elétrons
Na maioria dos supercondutores, os elétrons se emparelham devido às vibrações na rede dos átomos circundantes, empurrando-os suavemente um contra o outro. Park acha que o MATTG funciona de maneira diferente.
“Neste sistema de grafeno de ângulo mágico, há uma explicação teórica de que o emparelhamento pode ser causado por fortes interações eletrônicas, em vez de vibrações de rede”, disse ela. “Isso significa que os próprios elétrons ajudam a formar pares, formando um estado supercondutor com simetria especial.”
O caminho a seguir: materiais quânticos da próxima geração
A equipe do MIT planeja aplicar sua nova configuração experimental para estudar outros materiais torcidos e em camadas.
“Isso nos permite identificar e estudar a estrutura eletrônica subjacente da supercondutividade e outras fases quânticas na mesma amostra”, explica Parker. “Essa visão direta poderia revelar como os elétrons se emparelham e competem com outros estados, abrindo caminho para o projeto e controle de novos supercondutores e materiais quânticos que poderiam um dia alimentar tecnologias mais eficientes ou computadores quânticos.”
Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, pelo MIT/MTL Samsung Semiconductor Research Fund, pelo Programa Sagol WIS-MIT Bridge, pela National Science Foundation, pela Gordon and Betty Moore Foundation e pela Ramon Areces Foundation.
