Nas décadas recentes, enormes esforços de pesquisa foram despendidos na exploração e explicação de supercondutores de alta temperatura (alta Tc), uma classe de materiais que exibe resistência zero a temperaturas particularmente altas. Agora uma equipe de cientistas dos Estados Unidos, Alemanha e Japão explicam em Natureza como a estrutura eletrônica no grafeno de dupla camada torcida influencia o surgimento do estado de isolamento nesses sistemas, que é o precursor da supercondutividade em materiais de alto Tc.

Encontrar um material supercondutor à temperatura ambiente levaria a uma revolução tecnológica, aliviar a crise de energia (já que hoje em dia a maior parte da energia é perdida no caminho da geração para o uso) e aumentar o desempenho de computação para um nível totalmente novo. Contudo, apesar do progresso feito na compreensão desses sistemas, uma descrição teórica completa ainda é evasiva, deixando nossa busca por supercondutividade à temperatura ambiente principalmente por acaso.

Em um grande avanço científico em 2018, Grafeno de bicamada torcida (TBLG) mostrou exibir fases da matéria semelhantes às de uma certa classe de materiais supercondutores de alto Tc - os chamados cupratos de alto Tc. Isso representa uma nova incursão por meio de uma configuração experimental muito mais limpa e controlável.

Os cientistas do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD), Freie Universität Berlin (ambas na Alemanha), Universidade Columbia, o Center for Computational Quantum Physics no Flatiron Institute (ambos nos EUA) e o National Institute for Materials Science no Japão focaram no estado isolante de TBLG.

Este material é composto por duas camadas atomicamente finas de grafeno, empilhados em um ângulo muito pequeno entre si. Nesta estrutura, o estado de isolamento precede a fase supercondutora de alto Tc. Portanto, um melhor entendimento desta fase e o que leva a ela é fundamental para o controle do TBLG.

Os cientistas usaram microscopia de tunelamento de varredura e espectroscopia (STM / STS) para investigar as amostras. Com esta técnica microscópica, superfícies eletricamente condutoras podem ser examinadas átomo por átomo. Usando o método pioneiro de 'separar e empilhar', eles colocaram duas camadas atomicamente finas de grafeno uma sobre a outra e as giraram ligeiramente. Então, a equipe mapeou diretamente as propriedades eletrônicas e estruturais em escala atômica do material perto do 'ângulo mágico' de cerca de 1,1 °.

As evidências, que acaba de ser publicado em Natureza , lançar uma nova luz sobre os fatores que influenciam o surgimento da supercondutividade em TBLG. A equipe observou que o estado de isolamento, que precede o estado supercondutor, aparece em um determinado nível de preenchimento do sistema com elétrons. Isso permite aos cientistas estimar a força e a natureza das interações entre os elétrons nesses sistemas - um passo crucial para sua descrição.

Em particular, os resultados mostram que duas singularidades de van Hove (vHs) distintas na densidade local de estados aparecem perto do ângulo mágico que têm uma separação dependente de dopagem de 40-57 meV. Isso demonstra claramente pela primeira vez que a separação de vHs é significativamente maior do que se pensava anteriormente. Além disso, a equipe mostra claramente que o vHs se divide em dois picos quando o sistema é dopado próximo à metade da faixa de Moiré. Esta divisão dependente de dopagem é explicada por uma lacuna induzida por correlação, o que significa que em TBLG, a interação induzida por elétrons desempenha um papel importante.

A equipe descobriu que a proporção da interação de Coulomb com a largura de banda de cada vHs individual é mais crucial para o ângulo mágico do que a separação de vHs. Isso sugere que o estado supercondutor vizinho é conduzido por um mecanismo de emparelhamento do tipo Cooper baseado em interações elétron-elétron. Além disso, os resultados do STS indicam algum nível de nematicidade eletrônica (quebra espontânea da simetria rotacional da rede subjacente), muito parecido com o que é observado em cupratos perto do estado supercondutor.

Com esta pesquisa, a equipe deu um passo crucial para demonstrar a equivalência da física de cupratos de alto Tc e os de materiais TBLG. As percepções obtidas por meio do TBLG neste estudo irão, portanto, aumentar a compreensão da supercondutividade de alta temperatura em cupratos e levar a uma melhor análise do funcionamento detalhado desses sistemas fascinantes.

O trabalho da equipe sobre a natureza dos estados supercondutores e isolantes vistos no transporte permitirá aos pesquisadores avaliar teorias e, com sorte, compreender o TBLG como um trampolim para uma descrição mais completa dos cupratos de alto-Tc. No futuro, isso abrirá o caminho para uma abordagem mais sistemática de aumentar as temperaturas supercondutoras nesses e em sistemas semelhantes.