p Quando duas folhas de grafeno são empilhadas uma sobre a outra no ângulo certo, a estrutura em camadas se transforma em um supercondutor não convencional, permitindo a passagem de correntes elétricas sem resistência ou desperdício de energia. p Esta transformação de "ângulo mágico" no grafeno de duas camadas foi observada pela primeira vez em 2018 no grupo de Pablo Jarillo-Herrero, o Cecil e Ida Green Professor de Física no MIT. Desde então, cientistas têm procurado outros materiais que possam ser transformados de forma semelhante em supercondutividade, no campo emergente da "twistrônica". Em geral, nenhum outro material torcido exibiu supercondutividade além do grafeno de dupla camada torcida original, até agora.

p Em um jornal publicado em Natureza , Jarillo-Herrero e seu relatório de grupo observando supercondutividade em um sanduíche de três folhas de grafeno, a camada do meio é torcida em um novo ângulo em relação às camadas externas. Esta nova configuração de camada tripla exibe supercondutividade que é mais robusta do que sua contraparte de camada dupla.

p Os pesquisadores também podem ajustar a supercondutividade da estrutura aplicando e variando a intensidade de um campo elétrico externo. Ao ajustar a estrutura de três camadas, os pesquisadores foram capazes de produzir supercondutividade ultra-fortemente acoplada, um tipo exótico de comportamento elétrico que raramente foi visto em qualquer outro material.

p "Não estava claro se o grafeno de dupla camada de ângulo mágico era uma coisa excepcional, mas agora sabemos que não está sozinho; tem um primo no caso de três camadas, "Jarillo-Herrero diz." A descoberta deste supercondutor hipertunivel estende o campo twistrônico em direções inteiramente novas, com aplicações potenciais em informações quânticas e tecnologias de detecção. "

p Seus co-autores são o autor principal Jeong Min Park e Yuan Cao no MIT, e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.

p Uma nova super família

p Pouco depois de Jarillo-Herrero e seus colegas descobrirem que a supercondutividade pode ser gerada em grafeno de dupla camada torcida, os teóricos propuseram que o mesmo fenômeno pode ser visto em três ou mais camadas de grafeno.

p Uma folha de grafeno é uma camada de grafite com a espessura de um átomo, feito inteiramente de átomos de carbono dispostos em uma estrutura de favo de mel, como o mais fino, arame de galinheiro mais resistente. Os teóricos propuseram que se três folhas de grafeno fossem empilhadas como um sanduíche, com a camada do meio girada em 1,56 graus em relação às camadas externas, a configuração torcida criaria um tipo de simetria que encorajaria os elétrons no material a se emparelhar e fluir sem resistência - a marca registrada da supercondutividade.

p "Nós pensamos, por que não, vamos tentar e testar esta ideia, "Jarillo-Herrero diz.

p Park e Cao projetaram estruturas de grafeno em três camadas cortando cuidadosamente uma única folha de grafeno em três seções e empilhando cada seção uma sobre a outra nos ângulos precisos previstos pelos teóricos.

p Eles fizeram várias estruturas de três camadas, cada um medindo alguns micrômetros de diâmetro (cerca de 1/100 do diâmetro de um fio de cabelo humano), e três átomos de altura.

p "Nossa estrutura é um nanosandwich, "Jarillo-Herrero diz.

p A equipe então anexou eletrodos a cada extremidade das estruturas, e passou uma corrente elétrica enquanto mede a quantidade de energia perdida ou dissipada no material.

p "Não vimos energia dissipada, o que significa que era um supercondutor, "Jarillo-Herrero diz." Temos que dar crédito aos teóricos - eles acertaram o ângulo. "

p Ele acrescenta que a causa exata da supercondutividade da estrutura - seja devido à sua simetria, como os teóricos propuseram, ou não - continua a ser visto, e é algo que os pesquisadores planejam testar em experimentos futuros.

p "No momento, temos uma correlação, não uma causa, " he says. "Now at least we have a path to possibly explore a large family of new superconductors based on this symmetry idea."

p "The biggest bang"

p In exploring their new trilayer structure, the team found they could control its superconductivity in two ways. With their previous bilayer design, the researchers could tune its superconductivity by applying an external gate voltage to change the number of electrons flowing through the material. As they dialed the gate voltage up and down, they measured the critical temperature at which the material stopped dissipating energy and became superconductive. Desta maneira, the team was able to tune bilayer graphene's superconductivity on and off, similar to a transistor.

p The team used the same method to tune trilayer graphene. They also discovered a second way to control the material's superconductivity that has not been possible in bilayer graphene and other twisted structures. By using an additional electrode, the researchers could apply an electric field to change the distribution of electrons between the structure's three layers, without changing the structure's overall electron density.

p "These two independent knobs now give us a lot of information about the conditions where superconductivity appears, which can provide insight into the key physics critical to the formation of such an unusual superconducting state, "Park diz.

p Using both methods to tune the trilayer structure, the team observed superconductivity under a range of conditions, including at a relatively high critical temperature of 3 kelvins, even when the material had a low density of electrons. Em comparação, alumínio, which is being explored as a superconductor for quantum computing, has a much higher density of electrons and only becomes superconductive at about 1 kelvin.

p "We found magic-angle trilayer graphene can be the strongest coupled superconductor, meaning it superconducts at a relatively high temperature, given how few electrons it can have, " Jarillo-Herrero says. "It gives the biggest bang for your buck."

p The researchers plan to fabricate twisted graphene structures with more than three layers to see whether such configurations, with higher electron densities, can exhibit superconductivity at higher temperatures, even approaching room temperature.

p "If we could make these structures as they are now, at industrial scale, we could make superconducting bits for quantum computation, or cryogenic superconductive electronics, fotodetectores, etc. We haven't figured out how to make billions of these at a time, " Jarillo-Herrrero says.

p "Our main goal is to figure out the fundamental nature of what underlies strongly coupled superconductivity, " Park says. "Trilayer graphene is not only the strongest-coupled superconductor ever found, but also the most tunable. With that tunability we can really explore superconductivity, everywhere in the phase space."