Ano passado, os cientistas demonstraram que o grafeno de duas camadas torcidas - um material feito de duas folhas de carbono da espessura de um átomo com uma leve torção - pode exibir regiões supercondutoras e isolantes alternadas. Agora, um novo estudo na revista Natureza por cientistas da Espanha, os EUA., China e Japão mostram que a supercondutividade pode ser ligada ou desligada com uma pequena mudança de voltagem, aumentando sua utilidade para dispositivos eletrônicos.

"É uma espécie de Santo Graal da física criar um material que tenha supercondutividade à temperatura ambiente, "Disse o físico Allan MacDonald da Universidade do Texas em Austin." Essa é parte da motivação deste trabalho:entender melhor a supercondutividade em alta temperatura. "

A descoberta é um avanço significativo em um campo emergente chamado Twistronics, cujos pioneiros incluem MacDonald e o engenheiro Emanuel Tutuc, também da Universidade do Texas em Austin. Foram necessários vários anos de trabalho árduo de pesquisadores de todo o mundo para transformar a visão original de MacDonald em materiais com essas propriedades estranhas, Mas valeu a pena a espera.

Encontrando supercondutividade em lugares estranhos

Em 2011, MacDonald, um físico teórico que usa matemática quântica e modelagem computacional para estudar materiais bidimensionais, fez uma descoberta inesperada. Junto com Rafi Bistritzer, um pesquisador de pós-doutorado, ele estava trabalhando na construção de modelos simples, mas precisos, de como os elétrons se comportam em materiais 2-D empilhados - materiais com a espessura de um átomo - quando uma camada é ligeiramente torcida em relação às outras. O problema aparentemente não computável, MacDonald acreditava, poderia ser bastante simplificado ao se concentrar em um parâmetro-chave do sistema.

A estratégia que MacDonald e Bistritzer empregaram foi bem-sucedida. A surpresa veio depois. Quando eles aplicaram seu método ao grafeno de dupla camada torcida, um sistema que consiste em duas camadas de átomos de carbono, eles descobriram que em um ângulo muito específico de cerca de 1,1 grau - que eles apelidaram de "ângulo mágico" - os elétrons se comportaram de uma maneira estranha e extraordinária, movendo-se repentinamente mais de 100 vezes mais devagar.

Por que isso aconteceu e o que significaria para a ciência levaria anos para descobrir.

A curto prazo, a descoberta foi amplamente ignorada ou rejeitada. O resultado parecia muito incomum para acreditar. Além disso, não era óbvio que a criação de um exemplo físico de tal sistema, com uma colocação tão precisa das folhas bidimensionais, foi fisicamente alcançável.

Mas nem todos ficaram incrédulos ou intimidados com os resultados. Alguns experimentalistas em todo o mundo tomaram nota da previsão publicada no Proceedings of the National Academy of Sciences e optou por seguir o "ângulo mágico". Quando em 2018, pela primeira vez, físicos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts criaram um sistema de grafeno em camadas torcido em 1,1 grau, eles encontraram, como MacDonald previu, que exibiu propriedades notáveis, em particular, supercondutividade em uma temperatura surpreendentemente alta.

"Não há uma explicação simples para o motivo de os elétrons desacelerarem repentinamente, "Disse MacDonald." Graças ao trabalho recente de teóricos de Harvard, agora há uma explicação parcial relacionada aos modelos frequentemente estudados na física de partículas elementares. Mas agora existe um mundo inteiro de efeitos relacionados em diferentes materiais 2-D em camadas. O grafeno de duas camadas torcidas é apenas uma amostra de uma parte dele. "

Materiais supercondutores não têm resistência elétrica, permitindo que os elétrons viajem indefinidamente sem dissipar energia. Eles são usados ​​em computação quântica e poderiam ser transformadores de transmissão elétrica se não precisassem de refrigeração cara.

Descoberto pela primeira vez em 1911, a supercondutividade foi documentada em vários materiais. Contudo, todos eles requerem temperaturas extremamente baixas para manter suas características distintas. O surgimento de materiais 2-D empilhados pode mudar isso.

A descoberta da supercondutividade no grafeno de dupla camada torcida desde então forneceu combustível para um subcampo próspero com um nome atraente - Twistronics - e uma corrida para desenvolver ainda mais a tecnologia.

Uma década de estudo dedicado

Desde a descoberta do grafeno por Andre Geim e Konstantin Novoselov na Universidade de Manchester em 2004 (que acabou levando ao Prêmio Nobel de Física em 2010), MacDonald ficou fascinado com esses estranhos, sistemas bidimensionais e a nova física que eles podem conter.

Ele começou a estudar o material quase imediatamente e, desde 2004, usou supercomputadores no Texas Advanced Computing Center (TACC) para explorar a estrutura eletrônica do grafeno e outros materiais 2-D.

"Meu trabalho é prever fenômenos incomuns que não foram vistos antes, ou tentando entender fenômenos que não são bem compreendidos, "Disse MacDonald." Sou atraído pela teoria que se conecta diretamente às coisas que realmente acontecem, e estou interessado no poder da matemática e da teoria para descrever o mundo real. "

As estranhas propriedades dos materiais 2-D em camadas parecem estar relacionadas às interações, que se tornam muito mais cruciais quando os elétrons ficam mais lentos, induzindo fortes correlações entre elétrons individuais. Tipicamente, elétrons circulam quase separadamente em torno do núcleo em orbitais atômicos, estabelecendo-se em estados quânticos com as energias mais baixas disponíveis. Este não parece ser o caso do grafeno de ângulo mágico.

"Basicamente, nada de muito interessante pode acontecer quando os elétrons se organizam da maneira que o fazem em um átomo, ocupando os orbitais de menor energia, "MacDonald disse." Mas uma vez que seu destino é determinado pelas interações entre os elétrons, então coisas interessantes podem acontecer. "

Como alguém pode estudar o que acontece em sistemas 2-D em camadas - conhecido, tecnicamente, como heteroestruturas de van der Waals? "Ver" elétrons em movimento é quase impossível. As medições fornecem pistas, mas os resultados são oblíquos e freqüentemente contra-intuitivos. Modelos de computador, MacDonald acredita, pode ajudar a aumentar o quadro emergente de elétrons confinados.

Os modelos de computador que representam a estrutura eletrônica clássica são bem desenvolvidos e altamente precisos na maioria dos casos, mas eles precisam ser ajustados em face da estranha física das heterojunções.

Alterar esses fatores significa reescrever o modelo predominante para espelhar o comportamento de elétrons com forte interação, uma tarefa em que MacDonald e os pesquisadores de seu laboratório estão trabalhando atualmente, usando o supercomputador Stampede2 da TACC - um dos mais poderosos do mundo - para testar modelos e executar simulações. Além disso, um número cada vez maior de elétrons deve ser incluído para replicar com precisão os resultados que estão surgindo em laboratórios de todo o mundo.

"O sistema real tem bilhões de elétrons, "MacDonald explicou." Conforme você aumenta o número de elétrons, você excede rapidamente a capacidade de qualquer computador. Então, uma das abordagens que estamos usando, no trabalho liderado por Pawel Potasz - um visitante da Polônia - é resolver o problema eletrônico para pequenos números de elétrons e extrapolar o comportamento para grandes números. "

Aplicando a teoria a sistemas nunca antes vistos

Enquanto trabalhava para redesenhar modelos de estrutura eletrônica e dimensioná-los para um número cada vez maior de elétrons, MacDonald ainda encontra tempo para colaborar com grupos experimentais em todo o mundo, adicionando seus insights teóricos e computacionais às suas descobertas.

Por anos após a descoberta do ângulo mágico, Dificuldades práticas na criação de formas puras de materiais 2-D em camadas com ângulos de rotação precisos limitavam o campo. Mas em 2016, outro pesquisador UT, Emanuel Tutuc, e seu aluno de pós-graduação, Kyounghwan Kim, desenvolveu um método confiável para a criação de tais sistemas, não apenas usando grafeno, mas de uma série de materiais 2-D diferentes.

"O avanço realmente foi uma técnica que meu aluno introduziu, que consiste em pegar uma grande camada, dividir em dois e pegar um segmento e colocá-lo em cima do outro, "Disse Tutuc.

O motivo que não foi implementado antes é que é muito difícil pegar um pedaço de material com a espessura de um átomo do tamanho de um mícron. Kim inventou um sticky, alça hemisférica que pode levantar um floco individual, deixando todo o resto intacto em sua proximidade.

"Uma vez feito isso, as possibilidades tornaram-se infinitas, "ele continuou." Não muito depois, o mesmo aluno disse, 'OK, agora que podemos alinhá-los com precisão realmente alta, vamos em frente e torcê-los. ' Então esse foi o próximo passo. "

Nos últimos anos, MacDonald e sua equipe exploraram pilhas de três, quatro ou cinco camadas de grafeno, bem como outros materiais promissores, particularmente calcogenetos de metais de transição, procurando por fenômenos incomuns - e potencialmente úteis.

Escrevendo em Natureza em fevereiro de 2019, MacDonald, Tutuc, Elaine Li, física da UT Austin, e uma grande equipe internacional descreveu a observação de excitons indiretos em uma heterobamada de disseleneto de molibdênio / disseleneto de tungstênio (MoSe2 / WSe2) com um pequeno ângulo de torção.

Excitons são quasipartículas que consistem em um elétron e um buraco que se atraem e mantêm um ao outro no lugar. Eles geralmente existem em uma única camada. Contudo, com certos materiais 2-D, é possível que existam em camadas diferentes, o que aumenta muito a duração de sua existência. Isso pode permitir a superfluidez, o fluxo desimpedido de líquidos - uma propriedade vista anteriormente apenas no hélio líquido.

Agora, MacDonald e uma equipe da Espanha, China e Japão publicaram um estudo em Natureza de ângulo mágico de grafeno que mostrou que o material pode exibir fases supercondutoras e isolantes alternadas que podem ser ligadas ou desligadas com uma pequena mudança de voltagem, semelhantes às tensões usadas em circuitos integrados, aumentando sua utilidade para dispositivos eletrônicos. Para alcançar este resultado, membros da equipe do Instituto Catalão de Física Óptica produziram superredes de grafeno com torções mais uniformes do que era possível anteriormente. Ao fazê-lo, eles descobriram que o padrão de estados isolantes e supercondutores intercalados é ainda mais complexo do que o previsto.

Os supercomputadores TACC são uma ferramenta crítica na pesquisa de MacDonald e foram usados ​​para a modelagem teórica dos dados nos últimos Natureza papel.

"Muitas das coisas que fazemos, não poderíamos viver sem um computador de alto desempenho, "ele afirmou." Começamos a correr em um desktop e, em seguida, ficamos atolados rapidamente. Muitas vezes, usar um supercomputador é a diferença entre ser capaz de obter uma resposta satisfatória e não ser capaz de obter uma resposta satisfatória. "

Embora os resultados dos experimentos computacionais possam parecer menos imediatos ou "reais" do que aqueles em um laboratório, como MacDonald mostrou, os resultados podem expor novos caminhos de exploração e ajudar a iluminar os mistérios do universo.

"O que fortalece meu trabalho é que a natureza está sempre apresentando novos problemas. E quando você faz um novo tipo de pergunta, você não sabe com antecedência qual é a resposta, "MacDonald disse." A pesquisa é uma aventura, uma aventura comunitária, uma caminhada aleatória coletiva, pelo qual o conhecimento avança. "