Supercondutores são materiais que conduzem corrente elétrica praticamente sem resistência elétrica. Essa capacidade os torna extremamente interessantes e atraentes para uma infinidade de aplicações, como cabos de energia sem perdas, motores e geradores elétricos, bem como eletroímãs poderosos que podem ser usados ​​para imagens de ressonância magnética e trens de levitação magnética. Agora, pesquisadores da Universidade de Nagoya detalharam a natureza supercondutora de uma nova classe de material supercondutor, o grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico.
Para que um material se comporte como supercondutor, são necessárias baixas temperaturas. A maioria dos materiais só entra na fase supercondutora em temperaturas extremamente baixas, como –270°C, que é menor do que as medidas no espaço sideral. Isso limita severamente suas aplicações práticas porque um resfriamento tão extenso requer equipamentos de resfriamento de hélio líquido muito caros e especializados. Esta é a principal razão pela qual as tecnologias supercondutoras ainda estão em sua infância.

Supercondutores de alta temperatura (HTS), como alguns exemplos à base de ferro e cobre, entram na fase supercondutora acima de -200°C, uma temperatura que é mais facilmente alcançável usando nitrogênio líquido que resfria um sistema a -195,8°C. No entanto, as aplicações industriais e comerciais do HTS têm sido limitadas até agora. Os materiais HTS atualmente conhecidos e disponíveis são materiais cerâmicos frágeis que não são maleáveis ​​e não podem ser transformados em formas úteis como fios. Além disso, eles são notoriamente difíceis e caros de fabricar. Isso torna a busca por novos materiais supercondutores crítica e um forte foco de pesquisa para físicos como o Prof. Hiroshi Kontani e o Dr. Seiichiro Onari do Departamento de Física da Universidade de Nagoya.

Recentemente, um novo material foi proposto como um potencial supercondutor chamado grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico (MATBG). No MATBG, duas camadas de grafeno, essencialmente camadas bidimensionais de carbono dispostas em uma rede de favo de mel, são compensadas por um ângulo mágico (cerca de 1,1 graus) que leva à quebra da simetria rotacional e à formação de uma simetria de alta ordem. conhecido como SU(4). À medida que a temperatura muda, o sistema experimenta flutuações quânticas, como ondulações da água na estrutura atômica, que levam a uma nova mudança espontânea na estrutura eletrônica e a uma redução na simetria. Essa quebra de simetria rotacional é conhecida como estado nemático e tem sido intimamente associada a propriedades supercondutoras em outros materiais.

Em seu trabalho publicado recentemente em Physical Review Letters , Prof. Kontani e Dr. Onari usam métodos teóricos para entender melhor a origem desse estado nemático no MATBG. “Como sabemos que a supercondutividade de alta temperatura pode ser induzida por flutuações nemáticas em sistemas de elétrons fortemente correlacionados, como supercondutores à base de ferro, esclarecer o mecanismo e a origem dessa ordem nemática pode levar ao projeto e surgimento de supercondutores de temperatura mais alta”, explica o Dr. .Onari.

Os pesquisadores descobriram que a ordem nemática no MATBG se origina da interferência entre as flutuações de um novo grau de liberdade que combina os graus de liberdade de vale e os graus de liberdade de spin, algo que não foi relatado em sistemas convencionais de elétrons fortemente correlacionados. A temperatura de transição supercondutora do grafeno de bicamada torcida é muito baixa, a 1K (–272°C), mas o estado nemático consegue aumentá-la em vários graus.

Seus resultados também mostram que, embora o MATBG se comporte de algumas maneiras como um supercondutor de alta temperatura à base de ferro, ele também possui algumas propriedades distintas que são bastante excitantes, como uma corrente de loop de carga líquida dando origem a um campo magnético em um estado polarizado de vale, enquanto a corrente de loop é cancelada por cada vale no estado nemático. Além disso, a maleabilidade do grafeno também pode desempenhar um papel importante no aumento das aplicações práticas desses supercondutores. Com uma melhor compreensão dos mecanismos subjacentes da supercondutividade, a ciência e a tecnologia estão cada vez mais próximas de um futuro condutor que é de fato super.

O artigo, "SU(4) Valley + Spin Fluctuation Interference Mechanism for Nematic Order in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene:The Impact of Vertex Corrections", foi publicado na revista Physical Review Letters em 9 de fevereiro de 2022. + Explorar mais

Onda de densidade de carga induz nematicidade eletrônica no supercondutor Kagome