Se você empilhar duas camadas de grafeno, uma em cima da outra, e girá-los em um ângulo de 1,1º (nem mais nem menos) um do outro - o chamado 'ângulo mágico, 'experimentos provaram que o material pode se comportar como um isolante, onde nenhuma corrente elétrica pode fluir, e ao mesmo tempo também pode se comportar como um supercondutor, onde as correntes elétricas podem fluir sem resistência.

Essa importante descoberta ocorreu em 2018. No ano passado, em 2019, enquanto os pesquisadores do ICFO estavam melhorando a qualidade do dispositivo usado para replicar tais descobertas, eles tropeçaram em algo ainda maior e totalmente inesperado. Eles foram capazes de observar um zoológico de estados correlacionados e supercondutores não observados anteriormente, além de um conjunto inteiramente novo de estados magnéticos e topológicos, abrindo um reino completamente novo de física mais rica.

Até aqui, não há teoria que tenha sido capaz de explicar a supercondutividade no grafeno de ângulo mágico no nível microscópico. Contudo, esta descoberta desencadeou muitos estudos, que estão tentando entender e desvendar a física por trás de todos esses fenômenos que ocorrem neste material. Em particular, cientistas traçaram analogias com supercondutores não convencionais de alta temperatura - os cupratos, que detém o recorde de temperaturas supercondutoras mais altas, apenas 2 vezes mais baixo do que a temperatura ambiente. Seu mecanismo microscópico da fase supercondutora ainda não é compreendido, 30 anos após sua descoberta. Contudo, da mesma forma que o grafeno de duas camadas torcidas com ângulo mágico (MATBG), acredita-se que uma fase isolante seja responsável pela fase supercondutora próxima a ela. Compreender a relação entre as fases supercondutor e isolante está no centro do interesse do pesquisador, e pode levar a um grande avanço na pesquisa da supercondutividade.

Em um estudo publicado recentemente em Natureza , Os pesquisadores do ICFO, Petr Stepanov, Ipsita Das, Xiaobo Lu, Frank H. L. Koppens, liderado pelo ICFO Prof. Dmitri Efetov, em colaboração com um grupo interdisciplinar de cientistas do MIT, Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão, e Imperial College London, investigaram mais profundamente o comportamento físico deste sistema e relataram os testes detalhados e controlados por triagem de dispositivos de Grafeno Bicamada Torcido de Ângulo Mágico (MATBG) com vários ângulos de torção de ângulo quase mágico, para encontrar uma explicação possível para os estados mencionados.

Em seu experimento, eles foram capazes de controlar simultaneamente a velocidade e as energias de interação dos elétrons, e assim transformar as fases isolantes em supercondutoras. Normalmente, no ângulo mágico, um estado de isolamento é formado, uma vez que os elétrons têm velocidades muito pequenas, e, além disso, eles se repelem fortemente por meio da força de Coulomb. Neste estudo, Stepanov e a equipe usaram dispositivos com ângulos de torção ligeiramente distantes do ângulo mágico de 1,1 ° por ± 0,05 °, e colocamos muito perto de camadas de blindagem metálica, separando-os por apenas alguns nanômetros, isolando camadas hexagonais de nitreto de boro. Isso lhes permitiu reduzir a força repulsiva entre os elétrons e acelerá-los, permitindo que eles se movam livremente, escapando do estado de isolamento.

Ao fazê-lo, Stepanov e seus colegas observaram algo bastante inesperado. Ao alterar a tensão (densidade da portadora) nas diferentes configurações do dispositivo, a fase de supercondutividade permaneceu enquanto a fase isolante correlacionada desapareceu. Na verdade, a fase supercondutora se estendeu por regiões maiores de densidades, mesmo quando a densidade do portador variou. Essas observações sugerem que, em vez de ter a mesma origem comum, a fase isolante e supercondutora realmente poderia competir entre si, o que põe em causa a analogia simples com os cuprates que se acreditava anteriormente. Contudo, os cientistas logo perceberam que a fase supercondutora poderia ser ainda mais interessante, uma vez que está próximo a estados topológicos, que são ativados por interação eletrônica recorrente através da aplicação de um campo magnético.

Supercondutividade com Grafeno de Ângulo Mágico

A supercondutividade à temperatura ambiente é a chave para muitos objetivos tecnológicos, como a transmissão de energia eficiente, trens sem atrito, ou mesmo computadores quânticos, entre outros. Quando descoberto há mais de 100 anos, a supercondutividade só era plausível em materiais resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto. Então, no final dos anos 80, os cientistas descobriram supercondutores de alta temperatura usando materiais cerâmicos chamados cupratos. Apesar da dificuldade de construção de supercondutores e da necessidade de aplicar condições extremas (campos magnéticos muito fortes) para estudar o material, o campo decolou como uma espécie de Santo Graal entre os cientistas com base nesse avanço. Desde o ano passado, o entusiasmo em torno deste campo aumentou. As monocamadas duplas de carbono cativaram os pesquisadores porque, em contraste com cuprates, sua simplicidade estrutural tornou-se uma excelente plataforma para explorar a complexa física da supercondutividade.