p Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) desenvolveram um dispositivo de grafeno que é mais fino do que um fio de cabelo humano, mas possui uma profundidade de características especiais. Ele muda facilmente de um material supercondutor que conduz eletricidade sem perder energia, a um isolador que resiste ao fluxo de corrente elétrica, e de volta para um supercondutor - tudo com um simples toque de um botão. Suas descobertas foram relatadas hoje no jornal Natureza . p "Usualmente, quando alguém quer estudar como os elétrons interagem entre si em uma fase quântica supercondutora versus uma fase isolante, eles precisariam olhar para materiais diferentes. Com nosso sistema, você pode estudar a fase de supercondutividade e a fase de isolamento em um só lugar, "disse Guorui Chen, o principal autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Feng Wang, quem conduziu o estudo. Wang, um cientista do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, também é professor de física da UC Berkeley.

p O dispositivo de grafeno é composto por três camadas atomicamente finas (2-D) de grafeno. Quando imprensado entre camadas 2-D de nitreto de boro, ele forma um padrão repetitivo denominado superrede moiré. O material pode ajudar outros cientistas a entender a complicada mecânica por trás de um fenômeno conhecido como supercondutividade de alta temperatura, onde um material pode conduzir eletricidade sem resistência a temperaturas mais altas do que o esperado, embora ainda centenas de graus abaixo de zero.

p Em um estudo anterior, os pesquisadores relataram ter observado as propriedades de um isolador Mott em um dispositivo feito de grafeno de três camadas. Um isolador Mott é uma classe de material que, de alguma forma, para de conduzir eletricidade a centenas de graus abaixo de zero, apesar da teoria clássica predizer a condutividade elétrica. Mas há muito se acredita que um isolador de Mott pode se tornar supercondutor ao adicionar mais elétrons ou cargas positivas para torná-lo supercondutor, Chen explicou.

p Nos últimos 10 anos, pesquisadores têm estudado maneiras de combinar diferentes materiais 2-D, geralmente começando com grafeno - um material conhecido por sua capacidade de conduzir calor e eletricidade com eficiência. Fora deste trabalho, outros pesquisadores descobriram que as superredes moiré formadas com grafeno exibem uma física exótica, como a supercondutividade, quando as camadas estão alinhadas no ângulo certo.

p "Então, para este estudo, nos perguntamos:'Se o nosso sistema de três camadas de grafeno for um isolante Mott, também poderia ser um supercondutor? '"disse Chen.

p Abrindo o portão para um novo mundo da física

p Trabalhando com David Goldhaber-Gordon da Stanford University e do Stanford Institute for Materials and Energy Sciences no SLAC National Accelerator Laboratory, e Yuanbo Zhang da Universidade Fudan, os pesquisadores usaram um refrigerador de diluição, que pode atingir temperaturas intensamente frias de 40 milikelvins - ou quase 460 graus Fahrenheit negativos - para resfriar o dispositivo de nitreto de grafeno / boro até uma temperatura na qual os pesquisadores esperavam que a supercondutividade aparecesse perto da fase isolante de Mott, disse Chen.

p Assim que o dispositivo atingir a temperatura de 4 kelvins (menos 452 graus Fahrenheit), os pesquisadores aplicaram uma gama de voltagens elétricas às minúsculas portas superior e inferior do dispositivo. Como eles esperavam, quando eles aplicaram um alto campo elétrico vertical aos portões superior e inferior, um elétron encheu cada célula do dispositivo de nitreto de grafeno / boro. Isso fez com que os elétrons se estabilizassem e permanecessem no lugar, e essa "localização" de elétrons transformou o dispositivo em um isolador de Mott.

p Então, eles aplicaram uma voltagem elétrica ainda mais alta aos portões. Para seu deleite, uma segunda leitura indicou que os elétrons não eram mais estáveis. Em vez de, eles estavam viajando, movendo-se de uma célula para outra, e conduzindo eletricidade sem perda ou resistência. Em outras palavras, o dispositivo havia mudado da fase isolante de Mott para a fase supercondutora.

p Chen explicou que a superrede moiré de nitreto de boro de alguma forma aumenta as interações elétron-elétron que ocorrem quando uma tensão elétrica é aplicada ao dispositivo, um efeito que muda em sua fase supercondutora. Também é reversível - quando uma tensão elétrica mais baixa é aplicada aos portões, o dispositivo volta para um estado de isolamento.

p O dispositivo multitarefa oferece aos cientistas uma pequena, playground versátil para estudar a interação requintada entre átomos e elétrons em novos materiais supercondutores exóticos com uso potencial em computadores quânticos - computadores que armazenam e manipulam informações em qubits, que são tipicamente partículas subatômicas, como elétrons ou fótons - bem como novos materiais isolantes Mott que poderiam um dia tornar realidade minúsculos transistores Mott 2-D para microeletrônica.

p "Este resultado foi muito empolgante para nós. Nunca imaginamos que o dispositivo de nitreto de grafeno / boro funcionaria tão bem, "Chen disse." Você pode estudar quase tudo com ele, de partículas simples para supercondutividade. É o melhor sistema que conheço para estudar novos tipos de física, "Chen disse.

p Este estudo foi apoiado pelo Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), um Energy Frontier Research Center liderado pelo Berkeley Lab e financiado pelo DOE Office of Science. NPQC reúne pesquisadores do Berkeley Lab, Laboratório Nacional de Argonne, Universidade Columbia, e a Universidade da Califórnia em Santa Bárbara para estudar como a coerência quântica está subjacente a fenômenos inesperados em novos materiais, como o grafeno de três camadas, com um olho para usos futuros na ciência e tecnologia da informação quântica.