A capacidade de desligar e ligar a supercondutividade com um simples toque de um interruptor no chamado "grafeno torcido de ângulo mágico" permitiu que os engenheiros da Caltech observassem um fenômeno incomum que pode lançar uma nova luz sobre a supercondutividade em geral.
A pesquisa, liderada por Stevan Nadj-Perge, professor assistente de física aplicada e ciência dos materiais, foi publicada na revista Nature em 15 de junho.

O grafeno torcido de ângulo mágico, descoberto pela primeira vez em 2018, é feito de duas ou três folhas de grafeno (uma forma de carbono que consiste em uma única camada de átomos em um padrão de rede semelhante a um favo de mel) em camadas umas sobre as outras, com cada folha torcida em precisamente 1,05 graus em relação ao abaixo dele. A bicamada ou tricamada resultante tem propriedades eletrônicas incomuns:por exemplo, pode ser transformada em um isolante ou supercondutor, dependendo de quantos elétrons são adicionados.

Os supercondutores são materiais que exibem um estado eletrônico peculiar no qual os elétrons podem fluir livremente através dos materiais sem resistência – o que significa que a eletricidade flui através deles sem qualquer perda de energia para o calor. Essa transmissão hipereficiente de eletricidade tem infinitas aplicações potenciais nas áreas de computação, eletrônica e outros lugares.

No entanto, o problema com a supercondução é que, na maioria dos materiais, ela ocorre em temperaturas extremamente baixas, geralmente apenas alguns graus acima do zero absoluto (-273,15 graus Celsius). A essas temperaturas, os elétrons formam pares que se comportam de maneira fundamentalmente diferente em comparação com os elétrons individuais e se condensam em um estado mecânico quântico que permite que os pares de elétrons fluam sem serem espalhados.

A supercondutividade foi descoberta há mais de um século, mas os cientistas ainda não entendem completamente os mecanismos precisos por trás da formação de pares de elétrons para alguns materiais. Em supercondutores convencionais, como o alumínio metálico, é bem entendido que a atração entre os elétrons que leva à formação de pares de elétrons se deve à interação dos elétrons com a rede cristalina do material. O comportamento desses materiais é descrito usando a teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), em homenagem a John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer, que dividiram o Prêmio Nobel de Física em 1972 pelo desenvolvimento da teoria.

Enquanto estudavam tricamadas de grafeno torcidas em ângulo mágico, Nadj-Perge e seus colegas descobriram que a supercondutividade neste material exibe várias propriedades muito incomuns que não podem ser descritas usando a teoria BSC, tornando-o provavelmente também um supercondutor não convencional.

Eles mediram a evolução da chamada lacuna supercondutora à medida que os elétrons são removidos da tríplice camada com o toque de um interruptor para ligar ou desligar um campo elétrico. A lacuna supercondutora é uma propriedade que descreve o quão difícil é adicionar ou remover elétrons individuais em um supercondutor. Como os elétrons em um supercondutor querem ser emparelhados, uma certa quantidade de energia é necessária para quebrar esses pares. No entanto, a quantidade de energia pode ser diferente para pares que se movem em direções diferentes em relação à rede cristalina. Como resultado, a "lacuna" tem uma forma específica que é determinada pela probabilidade de que os pares sejam quebrados por uma determinada quantidade de energia.

“Embora os supercondutores existam há muito tempo, um recurso notavelmente novo nas bicamadas e tricamadas de grafeno trançado é que a supercondutividade nesses materiais pode ser ativada simplesmente pela aplicação de uma voltagem em um eletrodo próximo”, diz Nadj-Perge, correspondente autor da Natureza papel. "Um campo elétrico efetivamente adiciona ou remove elétrons extras. Funciona de maneira muito semelhante à que a corrente é controlada em transistores convencionais, e isso nos permitiu explorar a supercondutividade de maneiras que não podemos fazer em outros materiais."

A equipe estabeleceu que em tricamadas torcidas, dois regimes de supercondutividade com perfis de lacunas supercondutoras de formas diferentes estão presentes. Enquanto um dos regimes talvez possa ser explicado com uma teoria que é até certo ponto semelhante ao BCS, a presença de dois regimes mostra que dentro da fase supercondutora é provável que ocorra uma transição adicional. Essa observação, juntamente com medições feitas em várias temperaturas e campos magnéticos, aponta para a natureza não convencional da supercondutividade nas tríplices camadas.

Os novos insights da equipe de Nadj-Perge fornecem pistas essenciais para as futuras teorias de supercondutividade em multicamadas de grafeno trançado. Nadj-Perge observa que parece que mais camadas tornam a supercondutividade mais robusta, mantendo-se altamente sintonizável, uma propriedade que abre várias possibilidades de usar tricamadas torcidas para dispositivos supercondutores que podem um dia ser usados ​​na ciência quântica e talvez no processamento de informações quânticas.

"Além de suas implicações fundamentais para nossa compreensão da supercondutividade, é notável que a adição de uma camada extra de grafeno facilitou o estudo das propriedades supercondutoras. Em última análise, foi isso que permitiu nossas descobertas", diz Nadj-Perge.

O artigo é intitulado "Evidências de supercondutividade não convencional em grafeno de três camadas torcidas". + Explorar mais

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