p Em materiais condutores normais, como prata e cobre, a corrente elétrica flui com vários graus de resistência, na forma de elétrons individuais que eliminam defeitos como pingue-pongue, dissipando energia à medida que avançam. Supercondutores, por contraste, são assim chamados por sua notável capacidade de conduzir eletricidade sem resistência, por meio de elétrons que se emparelham e se movem através de um material como um só, gerando sem atrito. p Agora, físicos do MIT descobriram que um floco de grafeno, quando colocado em estreita proximidade com dois materiais supercondutores, pode herdar algumas das qualidades supercondutoras desses materiais. Como o grafeno é imprensado entre supercondutores, seu estado eletrônico muda drasticamente, mesmo em seu centro.

p Os pesquisadores descobriram que os elétrons do grafeno, anteriormente se comportando como indivíduo, espalhar partículas, em vez disso, emparelhe-se em "estados de Andreev" - uma configuração eletrônica fundamental que permite uma configuração convencional, material não supercondutor para transportar uma "supercorrente, "uma corrente elétrica que flui sem dissipar energia.

p Suas descobertas, publicado esta semana em Física da Natureza , são a primeira investigação dos estados de Andreev devido ao "efeito de proximidade" da supercondutividade em um material bidimensional como o grafeno.

p Na estrada, a plataforma de grafeno dos pesquisadores pode ser usada para explorar partículas exóticas, como férmions de Majorana, que se acredita que surjam de estados de Andreev e podem ser partículas-chave para construir poderosos, computadores quânticos à prova de erros.

p "Há um grande esforço na comunidade da física condensada para procurar estados eletrônicos quânticos exóticos, "diz o autor principal Landry Bretheau, um pós-doutorado no Departamento de Física do MIT. "Em particular, prevê-se que novas partículas chamadas férmions de Majorana surjam no grafeno, que é conectado a eletrodos supercondutores e expostos a grandes campos magnéticos. Nosso experimento é promissor, já que estamos unificando alguns desses ingredientes. "

p Os co-autores do MIT de Landry são o pós-doutorando Joel I-Jan Wang, visitando o estudante Riccardo Pisoni, e professor associado de física Pablo Jarillo-Herrero, junto com Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do National Institute for Materials Science, no Japão.

p O efeito de proximidade supercondutor

p Em 1962, o físico britânico Brian David Josephson previu que dois supercondutores imprensando uma camada não supercondutora entre eles poderiam sustentar uma supercorrente de pares de elétrons, sem qualquer tensão externa.

p Como um todo, a supercorrente associada ao efeito Josephson foi medida em vários experimentos. Mas os estados de Andreev - considerados os blocos de construção microscópicos de uma supercorrente - foram observados apenas em um punhado de sistemas, como fios de prata, e nunca em um material bidimensional.

p Bretheau, Wang, e Jarillo-Herrero abordou essa questão usando grafeno - uma folha ultrafina de átomos de carbono interligados - como material não supercondutor. Grafeno, como explica Bretheau, é um sistema extremamente "limpo", exibindo muito pouco espalhamento de elétrons. Estendido do grafeno, A configuração atômica também permite aos cientistas medir os estados eletrônicos de Andreev do grafeno conforme o material entra em contato com supercondutores. Os cientistas também podem controlar a densidade dos elétrons no grafeno e investigar como isso afeta o efeito de proximidade supercondutor.

p Os pesquisadores esfoliaram um floco muito fino de grafeno, apenas algumas centenas de nanômetros de largura, de um pedaço maior de grafite, e colocou o floco em uma pequena plataforma feita de um cristal de nitreto de boro sobreposto a uma folha de grafite. Em qualquer extremidade do floco de grafeno, eles colocaram um eletrodo feito de alumínio, que se comporta como um supercondutor em baixas temperaturas. Eles então colocaram toda a estrutura em um refrigerador de diluição e baixaram a temperatura para 20 milikelvin - bem dentro da faixa supercondutora do alumínio.

p Estados "frustrados"

p Em seus experimentos, os pesquisadores variaram a magnitude da supercorrente fluindo entre os supercondutores aplicando um campo magnético variável a toda a estrutura. Eles também aplicaram uma tensão externa diretamente ao grafeno, para variar o número de elétrons no material.

p Sob essas condições de mudança, a equipe mediu a densidade do grafeno dos estados eletrônicos enquanto o floco estava em contato com os dois supercondutores de alumínio. Usando espectroscopia de tunelamento, uma técnica comum que mede a densidade de estados eletrônicos em uma amostra condutiva, os pesquisadores foram capazes de sondar a região central do grafeno para ver se os supercondutores tiveram algum efeito, mesmo em áreas onde não estavam fisicamente tocando o grafeno.

p As medições indicaram que os elétrons do grafeno, que normalmente agem como partículas individuais, estavam emparelhados, embora em configurações "frustradas", com energias dependentes do campo magnético.

p "Elétrons em um supercondutor dançam harmoniosamente em pares, como um balé, mas a coreografia nos supercondutores esquerdo e direito pode ser diferente, "Bretheau diz." Pares no grafeno central ficam frustrados ao tentarem satisfazer as duas formas de dança. Esses pares frustrados são o que os físicos conhecem como afirma Andreev; eles estão carregando a supercorrente. "

p Bretheau e Wang descobriram que os estados de Andreev variam sua energia em resposta a uma mudança no campo magnético. Os estados de Andreev são mais pronunciados quando o grafeno tem uma densidade maior de elétrons e há uma supercorrente mais forte entre os eletrodos.

p "[Os supercondutores] estão na verdade dando ao grafeno algumas qualidades supercondutoras, "Bretheau diz." Descobrimos que esses elétrons podem ser dramaticamente afetados por supercondutores. "

p Enquanto os pesquisadores realizavam seus experimentos em campos magnéticos baixos, eles dizem que sua plataforma pode ser um ponto de partida para explorar os férmions de Majorana mais exóticos que deveriam aparecer sob altos campos magnéticos.

p "Existem propostas de como usar férmions de Majorana para construir computadores quânticos poderosos, "Bretheau diz." Essas partículas podem ser o tijolo elementar de computadores quânticos topológicos, com proteção muito forte contra erros. Nosso trabalho é um passo inicial nessa direção. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.