Na primavera de 2018, a surpreendente descoberta da supercondutividade em um novo material deixou a comunidade científica alvoroçada. Construído por camadas de uma folha de carbono em cima de outra e torcendo o topo em um ângulo "mágico", o material permitiu que os elétrons fluíssem sem resistência, uma característica que poderia aumentar drasticamente a transmissão de energia com eficiência energética e inaugurar uma série de novas tecnologias.

Agora, novos experimentos conduzidos em Princeton dão dicas de como esse material - conhecido como grafeno torcido de ângulo mágico - dá origem à supercondutividade. Na edição desta semana da revista Natureza , Os pesquisadores de Princeton fornecem evidências firmes de que o comportamento supercondutor surge de fortes interações entre os elétrons, produzindo insights sobre as regras que os elétrons seguem quando surge a supercondutividade.

"Este é um dos tópicos mais quentes da física, "disse Ali Yazdani, a classe de 1909 Professor de Física e autor sênior do estudo. "Este é um material incrivelmente simples, apenas duas folhas de carbono que você cola uma em cima da outra, e mostra supercondutividade. "

Exatamente como surge a supercondutividade é um mistério que laboratórios de todo o mundo estão correndo para resolver. O campo ainda tem um nome, "twistrônica".

Parte da emoção é que, em comparação com supercondutores existentes, o material é muito fácil de estudar, pois tem apenas duas camadas e apenas um tipo de átomo - o carbono.

"O principal desse novo material é que ele é um playground para todos esses tipos de física que as pessoas vêm pensando há 40 anos, "disse B. Andrei Bernevig, um professor de física especializado em teorias para explicar materiais complexos.

A supercondutividade no novo material parece funcionar por um mecanismo fundamentalmente diferente dos supercondutores tradicionais, que hoje são usados ​​em ímãs poderosos e outras aplicações limitadas. Este novo material tem semelhanças com a base de cobre, supercondutores de alta temperatura descobertos na década de 1980 chamados cuprates. A descoberta dos cuprates levou ao Prêmio Nobel de Física em 1987.

O novo material consiste em duas folhas de carbono atomicamente finas conhecidas como grafeno. Também o tema de um Prêmio Nobel de Física, em 2010, o grafeno tem um padrão de favo de mel plano, como uma folha de tela de galinheiro. Em março de 2018, Pablo Jarillo-Herrero e sua equipe do Massachusetts Institute of Technology colocaram uma segunda camada de grafeno sobre a primeira, em seguida, girou a folha superior em um ângulo "mágico" de cerca de 1,1 graus. Este ângulo havia sido previsto anteriormente pelos físicos para causar novas interações de elétrons, mas foi um choque quando os cientistas do MIT demonstraram supercondutividade.

Visto de cima, os padrões de arame de galinheiro sobrepostos dão um efeito cintilante conhecido como "moiré, "que surge quando dois padrões geometricamente regulares se sobrepõem, e que já foi popular nos tecidos e na moda da realeza dos séculos XVII e XVIII.

Esses padrões moiré dão origem a propriedades profundamente novas não vistas em materiais comuns. A maioria dos materiais comuns se enquadra em um espectro de isolante a condutor. Os isoladores prendem os elétrons em bolsões de energia ou níveis que os mantêm presos no lugar, enquanto os metais contêm estados de energia que permitem que os elétrons voem de átomo a átomo. Em ambos os casos, os elétrons ocupam diferentes níveis de energia e não interagem ou se envolvem em comportamento coletivo.

Em grafeno torcido, Contudo, a estrutura física da rede moiré cria estados de energia que evitam que os elétrons se separem, forçando-os a interagir. "Está criando uma condição em que os elétrons não conseguem se atrapalhar, e em vez disso, todos eles devem estar em níveis de energia semelhantes, que é a condição principal para criar estados altamente emaranhados, "Yazdani disse.

A questão que os pesquisadores abordaram foi se esse emaranhamento tem alguma conexão com sua supercondutividade. Muitos metais simples também superconduzem, mas todos os supercondutores de alta temperatura descobertos até hoje, incluindo os cuprates, mostram estados altamente emaranhados causados ​​pela repulsão mútua entre elétrons. A forte interação entre os elétrons parece ser a chave para alcançar a supercondutividade em temperaturas mais altas.

Para resolver esta questão, Os pesquisadores de Princeton usaram um microscópio de tunelamento de varredura que é tão sensível que pode gerar imagens de átomos individuais em uma superfície. A equipe digitalizou amostras de grafeno torcido em ângulo mágico, nas quais controlou o número de elétrons aplicando uma voltagem a um eletrodo próximo. O estudo forneceu informações microscópicas sobre o comportamento do elétron no grafeno de dupla camada torcida, enquanto a maioria dos outros estudos até agora monitoraram apenas a condução elétrica macroscópica.

Ao discar o número de elétrons para concentrações muito baixas ou muito altas, os pesquisadores observaram que os elétrons se comportavam quase independentemente, como fariam em metais simples. Contudo, na concentração crítica de elétrons onde a supercondutividade foi descoberta neste sistema, os elétrons repentinamente exibiram sinais de forte interação e emaranhamento.

Na concentração onde a supercondutividade emergiu, a equipe descobriu que os níveis de energia do elétron tornaram-se inesperadamente amplos, sinais que confirmam forte interação e emaranhamento. Ainda, Bernevig enfatizou que, embora esses experimentos abram a porta para estudos mais aprofundados, mais trabalho precisa ser feito para entender em detalhes o tipo de emaranhamento que está ocorrendo.

"Ainda há muito que não sabemos sobre esses sistemas, "disse ele." Não estamos nem perto de arranhar a superfície do que pode ser aprendido por meio de experimentos e modelagem teórica. "

Os contribuintes do estudo incluíram Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão; estudante de pós-graduação e primeiro autor Yonglong Xie, pesquisador de pós-doutorado Berthold Jäck, Xiaomeng Liu, associado de pesquisa de pós-doutorado, e o estudante de graduação Cheng-Li Chiu no grupo de pesquisa de Yazdani; e Biao Lian no grupo de pesquisa de Bernevig.