A descoberta em 2018 da supercondutividade em duas camadas de grafeno de um único átomo de espessura empilhadas em um ângulo preciso de 1,1 graus (chamado grafeno de bicamada torcida de ângulo 'mágico') foi uma grande surpresa para a comunidade científica. Desde a descoberta, os físicos perguntaram se a supercondutividade do grafeno mágico pode ser entendida usando a teoria existente ou se são necessárias abordagens fundamentalmente novas – como aquelas que estão sendo organizadas para entender o misterioso composto cerâmico que superconduz em altas temperaturas. Agora, conforme relatado na revista Nature , os pesquisadores de Princeton resolveram esse debate mostrando uma estranha semelhança entre a supercondutividade do grafeno mágico e a dos supercondutores de alta temperatura. O grafeno mágico pode ser a chave para desbloquear novos mecanismos de supercondutividade, incluindo supercondutividade de alta temperatura.
Ali Yazdani, professor de física da classe de 1909 e diretor do Centro de Materiais Complexos da Universidade de Princeton, liderou a pesquisa. Ele e sua equipe estudaram muitos tipos diferentes de supercondutores ao longo dos anos e recentemente voltaram sua atenção para o grafeno de bicamada mágica.

"Alguns argumentaram que o grafeno mágico de bicamada é na verdade um supercondutor comum disfarçado em um material extraordinário", disse Yazdani, "mas quando o examinamos microscopicamente, ele tem muitas das características dos supercondutores de cuprato de alta temperatura. É um momento de déjà vu".

A supercondutividade é um dos fenômenos mais intrigantes da natureza. É um estado em que os elétrons fluem livremente sem qualquer resistência. Os elétrons são partículas subatômicas que carregam cargas elétricas negativas; eles são vitais para o nosso modo de vida porque alimentam nossos eletrônicos diários. Em circunstâncias normais, os elétrons se comportam de forma irregular, pulando e empurrando uns contra os outros de uma maneira que acaba sendo ineficiente e desperdiça energia.

Mas sob supercondutividade, os elétrons de repente se emparelham e começam a fluir em uníssono, como uma onda. Nesse estado, os elétrons não apenas não perdem energia, mas também exibem muitas novas propriedades quânticas. Essas propriedades permitiram uma série de aplicações práticas, incluindo ímãs para ressonâncias magnéticas e aceleradores de partículas, bem como na fabricação de bits quânticos que estão sendo usados ​​para construir computadores quânticos. A supercondutividade foi descoberta pela primeira vez em temperaturas extremamente baixas em elementos como alumínio e nióbio. Nos últimos anos, foi encontrado próximo à temperatura ambiente sob pressão extraordinariamente alta e também em temperaturas logo acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido (77 graus Kelvin) em compostos cerâmicos.

Mas nem todos os supercondutores são criados iguais.

Supercondutores feitos de elementos puros como o alumínio são o que os pesquisadores chamam de convencionais. O estado supercondutivo - onde os elétrons se emparelham - é explicado pelo que é chamado de teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Esta tem sido a descrição padrão de supercondutividade que existe desde o final da década de 1950. Mas a partir do final da década de 1980 foram descobertos novos supercondutores que não se encaixavam na teoria BCS. O mais notável entre esses supercondutores "não convencionais" são os óxidos de cobre cerâmicos (chamados cupratos) que permaneceram um enigma nos últimos trinta anos.

A descoberta original da supercondutividade no grafeno mágico de bicamada por Pablo Jarillo-Herrero e sua equipe do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) mostrou que o material começa primeiro como um isolante, mas, com uma pequena adição de portadores de carga, torna-se supercondutor. O surgimento da supercondutividade de um isolante, em vez de um metal, é uma das marcas registradas de muitos supercondutores não convencionais, incluindo os cupratos mais famosos.

"Eles suspeitavam que a supercondutividade poderia ser não convencional, como os cupratos, mas infelizmente não tinham medidas experimentais específicas do estado supercondutor para apoiar essa conclusão", disse Myungchul Oh, pesquisador associado de pós-doutorado e um dos principais coautores do estudo. o papel.

Para investigar as propriedades supercondutoras do grafeno de bicamada mágica, Oh e seus colegas usaram um microscópio de tunelamento de varredura (STM) para visualizar o mundo infinitesimalmente pequeno e complexo dos elétrons. Este dispositivo se baseia em um novo fenômeno chamado "túnel quântico", onde os elétrons são canalizados entre a ponta metálica afiada do microscópio e a amostra. O microscópio usa essa corrente de tunelamento em vez da luz para ver o mundo dos elétrons na escala atômica.

"STM é uma ferramenta perfeita para fazer esses tipos de experimentos", disse Kevin Nuckolls, estudante de pós-graduação em física e um dos principais coautores do artigo. "Existem muitas medições diferentes que o STM pode fazer. Ele pode acessar variáveis ​​físicas que normalmente são inacessíveis a outras [técnicas experimentais]".

Quando a equipe analisou os dados, eles notaram duas características principais, ou "assinaturas", que se destacaram, informando que a amostra mágica de grafeno de bicamada estava exibindo supercondutividade não convencional. A primeira assinatura foi que os elétrons emparelhados que superconduzem têm um momento angular finito, um comportamento análogo ao encontrado nos cupratos de alta temperatura vinte anos atrás. Quando os pares se formam em um supercondutor convencional, eles não têm um momento angular líquido, de maneira análoga a um elétron ligado ao átomo de hidrogênio no orbital s do hidrogênio.

STM opera por tunelamento de elétrons dentro e fora da amostra. Em um supercondutor, onde todos os elétrons estão pareados, a corrente entre a amostra e a ponta STM só é possível quando os pares do supercondutor são rompidos. "É preciso energia para separar o par, e a dependência energética dessa corrente depende da natureza do pareamento. No grafeno mágico, encontramos a dependência energética esperada para o pareamento de momento finito", disse Yazdani. “Esta descoberta restringe fortemente o mecanismo microscópico de emparelhamento no grafeno mágico”.

A equipe de Princeton também descobriu como o grafeno de bicamada mágica se comporta quando o estado supercondutor é extinto aumentando a temperatura ou aplicando um campo magnético. Em supercondutores convencionais, o comportamento do material é o mesmo de um metal normal quando a supercondutividade é eliminada – os elétrons se desemparelham. No entanto, em supercondutores não convencionais, os elétrons parecem reter alguma correlação mesmo quando não são supercondutores, uma situação que se manifesta quando há aproximadamente um limiar de energia para remover elétrons da amostra. Os físicos se referem a essa energia limiar como um "pseudogap", um comportamento encontrado no estado não supercondutor de muitos supercondutores não convencionais. Sua origem é um mistério há mais de vinte anos.

"Uma possibilidade é que os elétrons ainda estejam um pouco emparelhados, embora a amostra não seja supercondutora", disse Nuckolls. "Esse estado de pseudogap é como um supercondutor com falha."

A outra possibilidade, observada na Natureza papel, é que alguma outra forma de estado eletrônico coletivo, que é responsável pelo pseudogap, deve primeiro se formar antes que a supercondutividade possa ocorrer.

"De qualquer forma, a semelhança de uma assinatura experimental de um peusdogap com os cupratos, bem como o emparelhamento de momento finito, não pode ser uma coincidência", disse Yazdani. "Esses problemas parecem muito relacionados."

Pesquisas futuras, disse Oh, envolverão tentar entender o que faz com que os elétrons se parem na supercondutividade não convencional – um fenômeno que continua a incomodar os físicos. A teoria BCS baseia-se na interação fraca entre os elétrons com seu emparelhamento possibilitado por causa de sua interação mútua com a vibração subjacente dos íons. O emparelhamento de elétrons em supercondutores não convencionais, no entanto, muitas vezes é muito mais forte do que em metais simples, mas sua causa - a "cola" que os une - atualmente não é conhecida.

“Espero que nossa pesquisa ajude a comunidade física a entender melhor a mecânica da supercondutividade não convencional”, disse Oh. “Esperamos ainda que nossa pesquisa motive os físicos experimentais a trabalharem juntos para descobrir a natureza desse fenômeno”.

O estudo, "Evidence for Unconventional Superconductivity in Twisted Bilayer Graphene", foi publicado em 20 de outubro de 2021 na revista Nature . + Explorar mais

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