Coloque uma única folha de carbono em cima de outra em um pequeno ângulo e propriedades notáveis ​​surgem, incluindo o fluxo de corrente sem resistência altamente valorizado conhecido como supercondutividade.

Agora, uma equipe de pesquisadores de Princeton procurou as origens desse comportamento incomum em um material conhecido como grafeno de dupla camada torcida de ângulo mágico, e detectou assinaturas de uma cascata de transições de energia que poderiam ajudar a explicar como a supercondutividade surge neste material. O artigo foi publicado online em 11 de junho na revista Natureza .

"Este estudo mostra que os elétrons no grafeno de ângulo mágico estão em um estado altamente correlacionado, mesmo antes de o material se tornar supercondutor, "disse Ali Yazdani, Professor de Física da turma de 1909, o líder da equipe que fez a descoberta. "A mudança repentina de energias quando adicionamos ou removemos um elétron neste experimento fornece uma medida direta da força da interação entre os elétrons."

Isso é significativo porque esses saltos de energia fornecem uma janela para o comportamento coletivo dos elétrons, como supercondutividade, que emergem em grafeno de dupla camada torcida em ângulo mágico, um material composto por duas camadas de grafeno em que a folha superior é girada ligeiramente em relação à outra.

Nos metais do dia-a-dia, elétrons podem se mover livremente através do material, mas as colisões entre elétrons e a vibração dos átomos dão origem à resistência e à perda de alguma energia elétrica na forma de calor - razão pela qual os dispositivos eletrônicos esquentam durante o uso.

Em materiais supercondutores, elétrons cooperam. "Os elétrons estão meio que dançando uns com os outros, "disse Biao Lian, um pós-doutorando associado no Princeton Center for Theoretical Science que se tornará um professor assistente de física neste outono, e um dos co-primeiros autores do estudo. "Eles têm que colaborar para chegar a um estado tão notável."

Por algumas medidas, grafeno de ângulo mágico, descoberto há dois anos por Pablo Jarillo-Herrero e sua equipe do Massachusetts Institute of Technology (MIT), é um dos supercondutores mais fortes já descobertos. A supercondutividade é relativamente robusta neste sistema, embora ocorra quando há muito poucos elétrons em movimento livre.

Os pesquisadores começaram a explorar como a estrutura cristalina única do grafeno de ângulo mágico permite comportamentos coletivos. Os elétrons não têm apenas uma carga negativa, mas também duas outras características:momento angular ou "spin, e possíveis movimentos na estrutura cristalina conhecidos como estados de "vale". Combinações de spin e vale constituem os vários "sabores" de elétrons.

A equipe queria saber como esses sabores afetam os comportamentos coletivos, então eles conduziram seus experimentos em temperaturas um pouco acima do ponto em que os elétrons se tornam fortemente interagindo, que os pesquisadores compararam à fase parental dos comportamentos.

"Medimos a força entre os elétrons no material em temperaturas mais altas na esperança de que a compreensão dessa força nos ajude a entender o supercondutor que se torna em temperaturas mais baixas, "disse Dillon Wong, um pesquisador de pós-doutorado no Princeton Center for Complex Materials e um co-primeiro autor.

Eles usaram uma ferramenta chamada microscópio de tunelamento de varredura, em que uma ponta de metal condutiva pode adicionar ou remover um elétron do grafeno de ângulo mágico e detectar o estado de energia resultante desse elétron.

Como os elétrons que interagem fortemente resistem à adição de um novo elétron, custa alguma energia adicionar o elétron adicional. Os pesquisadores podem medir essa energia e, a partir dela, determinar a intensidade da força de interação.

"Estou literalmente colocando um elétron e vendo quanta energia custa para empurrar esse elétron para o banho cooperativo, "disse Kevin Nuckolls, um estudante de pós-graduação no Departamento de Física, também um co-primeiro autor.

A equipe descobriu que a adição de cada elétron causou um salto na quantidade de energia necessária para adicionar outro - o que não teria acontecido se os elétrons fossem capazes de entrar no cristal e se mover livremente entre os átomos. A cascata resultante de transições de energia resultou de um salto de energia para cada um dos sabores de elétrons - uma vez que os elétrons precisam assumir o estado de energia mais baixo possível, embora também não tenham a mesma energia e o mesmo sabor que outros elétrons no mesmo local no cristal .

Uma questão chave no campo é como a força das interações entre os elétrons se compara aos níveis de energia que os elétrons teriam na ausência de tais interações. Nos supercondutores mais comuns e de baixa temperatura, esta é uma pequena correção, mas em raros supercondutores de alta temperatura, acredita-se que as interações entre os elétrons mudam drasticamente os níveis de energia dos elétrons. A supercondutividade na presença de uma influência tão dramática de interações entre elétrons é muito mal compreendida.

As medidas quantitativas das mudanças repentinas detectadas pelos pesquisadores confirmam o quadro de que o grafeno de ângulo mágico pertence à classe dos supercondutores com forte interação entre os elétrons.

O grafeno é uma camada fina de átomos de carbono, que, devido às propriedades químicas do carbono, organizar-se em uma estrutura plana de favo de mel. Os pesquisadores obtêm grafeno pegando um bloco fino de grafite - o mesmo carbono puro usado em lápis - e removendo a camada superior com fita adesiva.

Em seguida, eles empilham duas camadas da espessura de um átomo e giram a camada superior em exatamente 1,1 grau - o ângulo mágico. Isso faz com que o material se torne supercondutor, ou obter propriedades isolantes ou magnéticas incomuns.

"Se você está a 1,2 graus, é mau. Seu, é apenas um metal sem graça. Não há nada de interessante acontecendo. Mas se você está em 1,1 graus, você vê todo esse comportamento interessante, "Nuckolls disse.

Esse desalinhamento cria um arranjo conhecido como padrão moiré por sua semelhança com um tecido francês.

Para conduzir os experimentos, os pesquisadores construíram um microscópio de varredura por tunelamento no porão do prédio de física de Princeton, Jadwin Hall. Tão alto que ocupa dois andares, o microscópio fica sobre uma laje de granito, que flutua em molas pneumáticas. “Precisamos isolar o equipamento com muita precisão porque é extremamente sensível a vibrações, "disse Myungchul Oh, um associado de pesquisa de pós-doutorado e co-primeiro autor.

Dillon Wong, Kevin Nuckolls, Myungchul Oh, e Biao Lian contribuiu igualmente para o trabalho.

Contribuições adicionais foram feitas por Yonglong Xie, que obteve seu Ph.D. em 2019 e agora é pesquisador de pós-doutorado na Harvard University; Sangjun Jeon, que agora é professor assistente na Universidade Chung-Ang em Seul; Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais (NIMS) do Japão; e Professor de Física de Princeton B. Andrei Bernevig.

Uma cascata semelhante de transições de fase eletrônicas foi observada em um artigo publicado simultaneamente em Natureza em 11 de junho por uma equipe liderada por Shahal Ilani no Instituto Weizmann de Ciência em Israel e apresentando Jarillo-Herrero e colegas do MIT, Takashi Taniguchi e Kenji Watanabe do NIMS Japão, e pesquisadores da Universidade Livre de Berlim.

"A equipe Weizmann observou as mesmas transições que fizemos com uma técnica completamente diferente, Yazdani disse. "É bom ver que seus dados são compatíveis tanto com nossas medições quanto com nossa interpretação."

O estudo, "Cascata de transições eletrônicas em grafeno de dupla camada torcida em ângulo mágico, "por Dillon Wong, Kevin P. Nuckolls, Myungchul Oh, Biao Lian, Yonglong Xie, Sangjun Jeon, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, B. Andrei Bernevig, e Ali Yazdani, foi publicado em 11 de junho na revista Natureza .