Quando se trata de grafeno, parece que a supercondutividade está na família.
O grafeno é um material fino de um único átomo que pode ser esfoliado a partir do mesmo grafite encontrado na mina de lápis. O material ultrafino é feito inteiramente de átomos de carbono dispostos em um padrão hexagonal simples, semelhante ao do arame. Desde seu isolamento em 2004, descobriu-se que o grafeno incorpora inúmeras propriedades notáveis ​​em sua forma de camada única.

Em 2018, pesquisadores do MIT descobriram que, se duas camadas de grafeno são empilhadas em um ângulo "mágico" muito específico, a estrutura de bicamada torcida pode exibir supercondutividade robusta, um estado de material amplamente procurado no qual uma corrente elétrica pode fluir com perda de energia zero. Recentemente, o mesmo grupo descobriu que existe um estado supercondutivo semelhante no grafeno de três camadas torcidas – uma estrutura feita de três camadas de grafeno empilhadas em um novo ângulo mágico preciso.

Agora, a equipe relata que - você adivinhou - quatro e cinco camadas de grafeno podem ser torcidas e empilhadas em novos ângulos mágicos para obter supercondutividade robusta em baixas temperaturas. Esta última descoberta, publicada esta semana em Nature Materials , estabelece as várias configurações torcidas e empilhadas de grafeno como a primeira "família" conhecida de supercondutores multicamadas de ângulo mágico. A equipe também identificou semelhanças e diferenças entre os membros da família do grafeno.

As descobertas podem servir como um modelo para projetar supercondutores práticos à temperatura ambiente. Se as propriedades entre os membros da família pudessem ser replicadas em outros materiais naturalmente condutores, elas poderiam ser aproveitadas, por exemplo, para fornecer eletricidade sem dissipação ou construir trens que levitam magneticamente que funcionam sem atrito.

"O sistema de grafeno de ângulo mágico agora é uma 'família' legítima, além de alguns sistemas", diz o principal autor Jeong Min (Jane) Park, estudante de pós-graduação do Departamento de Física do MIT. “Ter esta família é particularmente significativo porque fornece uma maneira de projetar supercondutores robustos”.

'Sem limite'

O grupo de Jarillo-Herrero foi o primeiro a descobrir o grafeno de ângulo mágico, na forma de uma estrutura de bicamada de duas folhas de grafeno colocadas uma sobre a outra e ligeiramente deslocadas em um ângulo preciso de 1,1 graus. Essa configuração torcida, conhecida como super-rede moiré, transformou o material em um supercondutor forte e persistente em temperaturas ultrabaixas.

Os pesquisadores também descobriram que o material exibia um tipo de estrutura eletrônica conhecida como "banda plana", na qual os elétrons do material têm a mesma energia, independentemente de seu momento. Nesse estado de banda plana, e em temperaturas ultrafrias, os elétrons normalmente frenéticos desaceleram coletivamente o suficiente para formar pares no que é conhecido como pares de Cooper – ingredientes essenciais da supercondutividade que podem fluir através do material sem resistência.

Enquanto os pesquisadores observaram que o grafeno de bicamada torcida exibiu supercondutividade e uma estrutura de banda plana, não ficou claro se o primeiro surgiu do último.

"Não havia provas de que uma estrutura de banda plana levasse à supercondutividade", diz Park. "Outros grupos desde então produziram outras estruturas torcidas de outros materiais que têm alguma banda achatada, mas eles realmente não tinham supercondutividade robusta. Então nos perguntamos:poderíamos produzir outro dispositivo supercondutor de banda plana?"

Ao considerar essa questão, um grupo da Universidade de Harvard deduziu cálculos que confirmaram matematicamente que três camadas de grafeno, torcidas em 1,6 graus, também exibiriam bandas planas e sugeriram que elas podem ser supercondutoras. Eles continuaram mostrando que não deveria haver limite para o número de camadas de grafeno que exibem supercondutividade, se empilhadas e torcidas da maneira certa, em ângulos que eles também previram. Finalmente, eles provaram que poderiam relacionar matematicamente cada estrutura de multicamadas a uma estrutura de banda plana comum - uma forte prova de que uma banda plana pode levar a uma supercondutividade robusta.

“Eles descobriram que pode haver toda essa hierarquia de estruturas de grafeno, até camadas infinitas, que podem corresponder a uma expressão matemática semelhante para uma estrutura de banda plana”, diz Park.

Pouco depois desse trabalho, o grupo de Jarillo-Herrero descobriu que, de fato, a supercondutividade e uma banda plana surgiram no grafeno de três camadas torcidas - três folhas de grafeno, empilhadas como um sanduíche de queijo, a camada de queijo do meio deslocada em 1,6 graus em relação às camadas externas intercaladas . Mas a estrutura de três camadas também mostrou diferenças sutis em comparação com sua contraparte de duas camadas.

"Isso nos fez perguntar, onde essas duas estruturas se encaixam em termos de toda a classe de materiais e são da mesma família?" Parque diz.

Uma família não convencional

No estudo atual, a equipe procurou aumentar o número de camadas de grafeno. Eles fabricaram duas novas estruturas, feitas de quatro e cinco camadas de grafeno, respectivamente. Cada estrutura é empilhada alternadamente, semelhante ao sanduíche de queijo deslocado de grafeno de três camadas torcido.

A equipe manteve as estruturas em uma geladeira abaixo de 1 kelvin (cerca de -273 graus Celsius), passou corrente elétrica por cada estrutura e mediu a saída sob várias condições, semelhantes aos testes de seus sistemas de bicamada e tricamada.

No geral, eles descobriram que o grafeno torcido de quatro e cinco camadas também exibe supercondutividade robusta e uma banda plana. As estruturas também compartilhavam outras semelhanças com suas contrapartes de três camadas, como sua resposta sob um campo magnético de força, ângulo e orientação variados.

Esses experimentos mostraram que as estruturas de grafeno torcidas podem ser consideradas uma nova família ou classe de materiais supercondutores comuns. Os experimentos também sugeriram que pode haver uma ovelha negra na família:a estrutura original de duas camadas torcidas, embora compartilhando propriedades importantes, também mostrou diferenças sutis de seus irmãos. Por exemplo, os experimentos anteriores do grupo mostraram que a supercondutividade da estrutura quebrou sob campos magnéticos mais baixos e ficou mais desigual à medida que o campo girava, em comparação com seus irmãos multicamadas.

A equipe realizou simulações de cada tipo de estrutura, buscando uma explicação para as diferenças entre os membros da família. Eles concluíram que o fato de a supercondutividade do grafeno de bicamada torcida desaparecer sob certas condições magnéticas é simplesmente porque todas as suas camadas físicas existem em uma forma "não espelhada" dentro da estrutura. Em outras palavras, não há duas camadas na estrutura que são espelhos opostos uma da outra, enquanto as irmãs multicamadas do grafeno exibem algum tipo de simetria de espelho. Essas descobertas sugerem que o mecanismo que leva os elétrons a fluir em um estado supercondutivo robusto é o mesmo em toda a família do grafeno torcido.

"Isso é muito importante", observa Park. "Sem saber disso, as pessoas podem pensar que o grafeno de duas camadas é mais convencional em comparação com as estruturas de várias camadas. Mas mostramos que toda essa família pode ser de supercondutores robustos e não convencionais". + Explorar mais

Supercondutividade incomum observada no grafeno de três camadas torcidas