Criando um material bidimensional, apenas alguns átomos de espessura, geralmente é um processo árduo que requer equipamentos sofisticados. Assim, os cientistas ficaram surpresos ao ver poças 2D emergirem dentro de um supercondutor tridimensional - um material que permite que os elétrons viajem com 100% de eficiência e resistência zero - sem aviso.

Dentro dessas poças, elétrons supercondutores agiam como se estivessem confinados em um interior incrivelmente fino, plano semelhante a uma folha, uma situação que exige que eles de alguma forma cruzem para outra dimensão, onde diferentes regras da física quântica se aplicam.

"Este é um exemplo tentador de comportamento emergente, que muitas vezes é difícil ou impossível de replicar tentando projetá-lo do zero, "disse Hari Manoharan, um professor da Universidade de Stanford e investigador do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia (SIMES) no Laboratório Nacional de Acelerador SLAC do Departamento de Energia, quem liderou a pesquisa.

"É como se ao receber o poder de superconduzir, " ele disse, "os elétrons 3D escolhem por si próprios viver em um mundo 2D."

A equipe de pesquisa chama este novo fenômeno de "supercondutividade interdimensional, "e em um relatório no Proceedings of the National Academy of Sciences hoje, eles sugerem que é assim que os supercondutores 3D se reorganizam pouco antes de passarem por uma mudança abrupta para um estado de isolamento, onde os elétrons estão confinados aos átomos de sua casa e não podem se mover.

"O que descobrimos foi um sistema em que os elétrons se comportam de maneiras inesperadas. Essa é a beleza da física, "disse Carolina Parra, um pesquisador de pós-doutorado no SLAC e Stanford na época do estudo que realizou os experimentos que levaram à visualização deste resultado intrigante. "Tivemos muita sorte em encontrar esse comportamento."

Elétrons agindo estranhamente

Embora a supercondutividade tenha sido descoberta há mais de um século, sua utilidade era limitada pelo fato de que os materiais se tornavam supercondutores apenas em temperaturas próximas às do espaço profundo.

Portanto, o anúncio em 1986 de que os cientistas descobriram uma classe nova e inesperada de materiais supercondutores que operavam em temperaturas muito mais altas - embora ainda muito frias - desencadeou um tsunami de pesquisas que continua até hoje, com o objetivo de descobrir como os novos materiais operam e desenvolver versões que funcionem mais próximas da temperatura ambiente para aplicações como linhas de força e trens maglev perfeitamente eficientes.

Este estudo começou com um supercondutor de alta temperatura chamado BPBO por seus quatro ingredientes atômicos - bário, liderar, bismuto e oxigênio. Foi sintetizado no laboratório do professor de Stanford e investigador do SIMES Ian Fisher por Paula Giraldo-Gallo, um Ph.D. aluno na época.

Enquanto os pesquisadores o colocam em testes de rotina, incluindo a determinação da temperatura de transição na qual ele muda entre uma fase supercondutora e uma fase isolante - como a água mudando para vapor ou gelo - eles perceberam que seus dados mostraram elétrons se comportando como se estivessem confinados a ultrafinos, Camadas ou listras 2D dentro do material. Este era um quebra-cabeça, porque BPBO é um supercondutor 3D cujos elétrons são normalmente livres para se mover em qualquer direção que desejarem.

Intrigado, A equipe de Manoharan deu uma olhada mais de perto com um microscópio de varredura por tunelamento, ou STM - um instrumento que pode identificar e até mesmo mover átomos individuais nas poucas camadas atômicas superiores de um material.

Poças interagindo

As listras, eles descobriram, parecia não ter relação com a forma como os átomos do material eram organizados ou com minúsculas saliências e depressões em sua superfície.

"Em vez de, as listras eram camadas onde os elétrons se comportavam como se estivessem confinados em 2D, áreas semelhantes a poças no material, "Parra disse." A distância entre as poças é curta o suficiente para que os elétrons possam 'ver' e interagir uns com os outros de uma forma que permite que eles se movam sem resistência, que é a marca registrada da supercondutividade. "

As poças 2D surgiram enquanto os cientistas ajustavam cuidadosamente a temperatura e outras condições em direção ao ponto de transição onde o supercondutor se tornaria um isolante.

Suas observações correspondem de perto a uma teoria de "granularidade eletrônica emergente" em supercondutores, desenvolvido por Nandini Trivedi da Ohio State University e colegas.

"As previsões que fizemos foram contra o paradigma padrão para supercondutores, "Disse Trivedi." Normalmente, quanto mais forte é um supercondutor, quanto maior a energia necessária para quebrar a ligação entre seus pares de elétrons supercondutores - um fator que chamamos de gap de energia. Mas meu grupo previu que, neste tipo específico de supercondutor desordenado, o oposto seria verdadeiro:o sistema formaria poças emergentes onde a supercondutividade era forte, mas os pares poderiam ser quebrados com muito menos energia do que o esperado.

"Foi muito emocionante ver essas previsões sendo confirmadas pelas medições STM do grupo de Stanford!"

Divulgando a ciência

Os resultados têm implicações práticas para a elaboração de materiais 2D, Parra disse.

"A maioria dos métodos para fazer materiais 2D são abordagens de engenharia, como o crescimento de filmes com algumas camadas atômicas de espessura ou a criação de uma interface nítida entre dois materiais e confinar um estado 2D lá, "ela disse." Isso oferece uma maneira adicional de chegar a esses estados supercondutores 2D. É mais barato, você não precisa de equipamentos sofisticados que exijam temperaturas muito baixas e não leva dias e semanas. A única parte complicada seria acertar a composição do material. "

Parra agora dirige um laboratório na Universidade Técnica Federico Santa María em Valparaíso, Chile, com foco em estudos interdisciplinares de materiais biológicos em nanoescala. Ela recentemente ganhou uma bolsa para adquirir e operar o primeiro microscópio de tunelamento de varredura de baixa temperatura na América do Sul, que ela planeja usar para continuar esta linha de pesquisa.

“Quando eu tiver este equipamento no laboratório, " ela disse, "Vou conectá-lo com todas as coisas que aprendi no laboratório de Hari e usá-lo para ensinar uma nova geração de pesquisadores que teremos trabalhando em nanociência e nanotecnologia no Chile."