Pesquisadores da ETH Zurich conseguiram transformar flocos de grafeno especialmente preparados em isolantes ou supercondutores aplicando uma voltagem elétrica. Essa técnica funciona até localmente, o que significa que nas mesmas regiões de flocos de grafeno com propriedades físicas completamente diferentes podem ser realizadas lado a lado.

A produção de componentes eletrônicos modernos requer materiais com propriedades muito diversas. Existem isoladores, por exemplo, que não conduzem corrente elétrica, e supercondutores que o transportam sem perdas. Para obter uma funcionalidade específica de um componente, geralmente é necessário juntar vários desses materiais. Muitas vezes isso não é fácil, em particular ao lidar com nanoestruturas que são amplamente utilizadas hoje. Uma equipe de pesquisadores da ETH Zurich liderada por Klaus Ensslin e Thomas Ihn no Laboratório de Física do Estado Sólido conseguiu agora fazer um material se comportar alternadamente como um isolante ou como um supercondutor - ou mesmo como ambos em locais diferentes no mesmo material - simplesmente aplicando uma voltagem elétrica. Seus resultados foram publicados na revista científica Nature Nanotechnology . O trabalho foi apoiado pelo Centro Nacional de Competência em Pesquisa QSIT (Quantum Science and Technology).

Grafeno com um ângulo mágico

O material que Ensslin e seus colegas usam tem o nome um tanto complicado de "Magic Angle Twisted Bilayer Graphene." Na verdade, este nome esconde algo bastante simples e bem conhecido, a saber, carbono - embora em uma forma particular e com um toque especial. O ponto de partida para o material são flocos de grafeno, que são camadas de carbono com apenas um átomo de espessura. Os pesquisadores colocaram duas dessas camadas uma sobre a outra de modo que seus eixos de cristal não fiquem paralelos, em vez disso, faça um "ângulo mágico" de exatamente 1,06 graus. "Isso é muito complicado, e também precisamos controlar com precisão a temperatura dos flocos durante a produção. Como resultado, muitas vezes dá errado, "explica Peter Rickhaus, que estava envolvido nos experimentos como pós-doutorado.

Em vinte por cento das tentativas, Contudo, funciona, e as redes cristalinas atômicas dos flocos de grafeno criam então o chamado padrão moiré, no qual os elétrons do material se comportam de maneira diferente do grafeno comum. Os padrões de moiré são familiares na televisão, por exemplo, onde a interação entre uma peça de roupa estampada e as linhas de varredura da imagem da televisão pode levar a efeitos ópticos interessantes. No topo dos flocos de grafeno do ângulo mágico, os pesquisadores colocam vários eletrodos adicionais que podem usar para aplicar uma voltagem elétrica ao material. Quando eles resfriam tudo a alguns centésimos de grau acima do zero absoluto, algo notável acontece. Dependendo da tensão aplicada, os flocos de grafeno se comportam de duas maneiras completamente opostas:ou como supercondutor ou como isolante. Essa supercondutividade comutável já foi demonstrada em 2018 no Massachusetts Institute of Technology (MIT) nos EUA. Ainda hoje, apenas alguns grupos em todo o mundo são capazes de produzir tais amostras.

Isolador e supercondutor no mesmo material

Ensslin e seus colegas estão agora dando um passo adiante. Ao aplicar diferentes voltagens aos eletrodos individuais, eles transformam o ângulo mágico de grafeno em um isolante em um ponto, mas algumas centenas de nanômetros de um lado ele se torna um supercondutor.

"Quando vimos isso, obviamente tentamos primeiro realizar uma junção Josephson, "diz Fokko de Vries, que também é pós-doutorado no laboratório Ensslins. Em tais junções, dois supercondutores são separados por uma camada isolante fina como uma bolacha. Desta maneira, a corrente não pode fluir diretamente entre os dois supercondutores, mas sim fazer um túnel quântico através do isolador. Este, por sua vez, faz com que a condutividade do contato varie em função da corrente de uma forma característica, dependendo se a corrente contínua ou alternada é usada.

Possíveis aplicações em tecnologias quânticas

Os pesquisadores da ETH conseguiram produzir uma junção Josephson dentro dos flocos de grafeno torcidos pelo ângulo mágico usando diferentes tensões aplicadas aos três eletrodos, e também para medir suas propriedades. "Agora que também funcionou, podemos tentar nossas mãos em dispositivos mais complexos, como SQUIDs, "diz de Vries. Em SQUIDs (" dispositivo de interferência quântica supercondutor "), duas junções Josephson são conectadas para formar um anel. As aplicações práticas de tais dispositivos incluem medições de minúsculos campos magnéticos, mas também tecnologias modernas, como computadores quânticos. Para possíveis usos em computadores quânticos, um aspecto interessante é que com a ajuda dos eletrodos os flocos de grafeno podem ser transformados não apenas em isolantes e supercondutores, mas também em ímãs ou os chamados isoladores topológicos, em que a corrente só pode fluir em uma direção ao longo da borda do material. Isso poderia ser explorado para realizar diferentes tipos de bits quânticos (qubits) em um único dispositivo.

Um teclado para materiais

"Até aqui, Contudo, isso é apenas especulação, "Ensslin diz. Ainda assim, ele está entusiasmado com as possibilidades que surgem do controle elétrico até agora. "Com os eletrodos, podemos praticamente tocar piano no grafeno. "Entre outras coisas, os físicos esperam que isso os ajude a obter novos insights sobre os mecanismos detalhados que geram a supercondutividade no ângulo mágico do grafeno.