Empilhe duas camadas de grafeno, torcidos em ângulos ligeiramente diferentes uns dos outros, e o material espontaneamente se torna um supercondutor. A ciência ainda não consegue explicar como algo tão mágico pode acontecer, mas os físicos usam equipamento especial para revelar o que está acontecendo sob a superfície.

A supercondutividade é um assunto que intrigou os cientistas por gerações, desde que foi observado pela primeira vez há mais de 100 anos, no laboratório de Leiden do vencedor do Prêmio Nobel Heike Kamerlingh Onnes. Ele resfriou o mercúrio até quase zero absoluto e de repente, toda resistência desapareceu. Se você introduzir uma corrente elétrica em um metal frio, ele continuará a fluir até que o resfriamento seja interrompido.

Resfriamento, neste caso, significa uma temperatura de cerca de 270 graus abaixo de zero, a temperatura na qual o hélio se torna líquido. Isso é complicado e caro, então, as aplicações práticas da supercondutividade foram limitadas aos ímãs em scanners de ressonância magnética em hospitais, até agora.

Enquanto isso, os físicos têm procurado supercondutores "quentes" que operem com menos resfriamento. Por exemplo, materiais cerâmicos foram desenvolvidos que são supercondutores em menos 140. Isso é progresso, mas ainda não chegamos lá. Ainda há muitas perguntas sem resposta. O que exatamente acontece dentro desses materiais é uma dessas questões para a qual os pesquisadores de Leiden, Tjerk Benschop e Sense Jan van der Molen, esperam encontrar uma resposta.

"A história nos ensinou que uma busca como essa pode levar tempo, "diz Van der Molen, professor de Física da Matéria Condensada. "Kamerlingh Onnes descobriu a supercondutividade em 1911, mas não foi até 1957 que uma boa teoria explicativa foi publicada. E ainda não entendemos completamente esses novos supercondutores de cerâmica. É complicado, mesmo para físicos. Essa também foi a premissa para a nossa colaboração:vamos pegar um material relativamente simples para experimentar:o grafeno. "

Ph.D. candidato Tjerk Benschop:"O que é interessante é que a transição de fase para a supercondutividade com o grafeno é semelhante à dos supercondutores de cerâmica. A ideia é que, estudando o grafeno, podemos aprender mais sobre o que acontece em outros supercondutores.

Nova reviravolta

Todo mundo tem grafeno em suas casas. O núcleo de grafite de um lápis consiste em infinitas camadas de grafeno, em que os átomos de carbono estão ordenadamente organizados em uma estrutura em favo de mel. Van der Molen:"O grafeno Bilayer tem características particulares:você pode literalmente dar um novo toque. Se você torcer duas camadas de grafeno em um pequeno ângulo, você de repente obtém um material supercondutor. E se você aumentar o ângulo entre as camadas, esse fenômeno desaparece. Há muita física complexa por trás disso, e em alguns aspectos ainda é difícil de explicar. "

Benschop:"Parece meio maluco, mas em um ângulo mágico de 1,1 graus, os elétrons nas duas camadas começam a sentir um ao outro mais; eles são capazes de interagir. Isso resulta em características únicas, um dos quais é a supercondutividade. É difícil explicar por que esse é o caso, porque há muitas etapas relacionadas à física no meio. Por exemplo, estamos falando sobre bandas de elétrons, algo difícil de imaginar. "

Bandas planas

Um grupo internacional de pesquisadores traçou o sanduíche supercondutor de grafeno em detalhes, usando uma série de técnicas de medição. Eles combinaram a experiência no campo da supercondutividade do supervisor de Benschop, Milan Allan, e o colega Felix Baumberger na Suíça com a pesquisa de grafeno de Van der Molen. "Se você medir com precisão, você pode até verificar a condição dos elétrons no material. Até agora, ninguém havia conseguido demonstrar que os elétrons são mais ou menos imóveis no ângulo mágico no que é conhecido como banda plana. E deu muito trabalho. "

Benschop:"Em um ponto, Sacrifiquei minhas férias de Natal para fazer imagens de grafeno retorcido. O difícil da minha técnica é que você só pode medir com precisão se a superfície do grafeno estiver escrupulosamente limpa. Você está digitalizando com uma agulha microscopicamente pequena acima da superfície e se houver uma única molécula de sujeira em algum lugar, sua medição falha. Isso me causou muitos problemas no início, descobrir o que funcionou melhor uma etapa de cada vez. Para uma medição precisa, a superfície do grafeno deve estar realmente limpa, então medimos em um ambiente de ultra-alto vácuo, por exemplo. Existem menos partículas flutuando na sala de medição do que no espaço. "

Momento eureca

Os minúsculos espécimes de grafeno bicamada torcida foram feitos por colegas físicos em Barcelona, já que essa é uma habilidade por si só. "A grande vantagem da ciência é que você encontra pessoas por meio de publicações e conferências e surge com novas ideias, "diz Van der Molen." Neste caso, precisávamos de quatro grupos de pesquisa para fazer isso com sucesso. "

"Depois de longos dias no laboratório, repetindo e melhorando pacientemente, finalmente houve um momento eureka, "Benschop nos diz." Você passa muito tempo trabalhando nisso, esperando que no final, você poderá obter uma boa medição. É um momento tão especial quando você vê a estrutura atômica do grafeno aparecer na tela, com aquele adorável padrão que combina com o ângulo correto de torção. "

Assim que as duas camadas de grafeno são torcidas uma em relação à outra, uma grande estrutura em favo de mel repentinamente torna-se visível. É o mesmo efeito de moiré ou formação de padrão espontâneo que você obtém quando move duas camadas finas de seda uma sobre a outra. Van der Molen:"Esse padrão não é apenas uma ilusão de ótica; uma nova estrutura realmente ocorre, dando aos elétrons novas áreas para se mover."

Haverá chips com grafeno de ângulo mágico em computadores ou smartphones? Benschop não pensa assim. "A supercondutividade ocorre no grafeno a menos 272 graus, o que torna uma aplicação prática inviável, uma vez que o hélio líquido é extremamente caro. Sobre tudo, estamos aprendendo mais e mais sobre como a supercondutividade ocorre e, esperançosamente, isto fornecerá ideias para novos materiais que são supercondutores à temperatura ambiente. "

Lego

De acordo com Van der Molen, o grafeno de duas camadas é apenas o começo. O fato é que existem muitos outros planos, materiais condutores que também podem ser empilhados e torcidos. "Eu vejo isso como se fosse Lego. Você coloca uma camada sobre a outra e, se houver uma interação forte, um novo material com características inesperadas ocorre. É um pouco como combinar hidrogênio com oxigênio para obter água, e onde o todo é muito maior do que a soma das partes. "

Outra opção que Benschop está ansioso para pesquisar é o empenamento de materiais de bicamada, pois isso também altera os padrões de moiré e as características elétricas. "Resumidamente, existem muitos parâmetros para experimentar, "diz Van der Molen." Há uma previsão teórica de que a temperatura da supercondutividade poderia ser facilmente mais alta. Mas como isso pode ser alcançado é algo sobre o qual sabemos muito pouco, ainda. Essa também é a melhor parte do nosso campo profissional:muitas coisas são difíceis de calcular ou prever, então experimentar faz a diferença. "