Uma equipe do MIT acaba de dar um passo importante na compreensão dos supercondutores ao demonstrar propriedades quânticas excepcionais em uma estrutura de grafeno de tripla camada torcida. Este avanço abre novas perspectivas para o desenvolvimento de materiais capazes de conduzir eletricidade sem perda de energia em temperaturas mais acessíveis.
Os pesquisadores desenvolveram um método experimental inovador que combina duas técnicas de medição quântica. Ao observar simultaneamente o fenômeno de "tunelamento" eletrônico e a resistência elétrica, eles conseguiram capturar em tempo real a formação do estado supercondutor. Esta abordagem permitiu-lhes identificar uma assinatura característica em forma de V no "gap supercondutor", uma medida que revela como os elétrons se organizam para permitir a supercondutividade.
Os físicos usam uma nova plataforma para medir o gap supercondutor do grafeno em "ângulo mágico". O método envolve o "tunelamento" de elétrons entre duas camadas de grafeno triplo torcido (em amarelo) enquanto mede o estado supercondutor do material. Estes experimentos mostram pela primeira vez evidências claras de que o MATTG é um supercondutor não convencional.
Crédito: Pablo Jarillo-Herrero, et al Ao contrário dos supercondutores tradicionais onde o gap aparece uniforme, esta forma em V indica um mecanismo de acoplamento eletrônico radicalmente diferente. Os elétrons parecem associar-se de maneira muito mais próxima, quase como se formassem moléculas. Esta particularidade mostra que as interações entre elétrons, em vez das vibrações da rede atômica, seriam a origem da supercondutividade neste material.
O grafeno de tripla camada em "ângulo mágico" é obtido sobrepondo três folhas ultrafinas de carbono com uma torção precisa de aproximadamente 1,1 grau. Esta configuração modifica profundamente as propriedades eletrônicas do material, criando condições propícias para o surgimento de fenômenos quânticos incomuns. A capacidade de controlar estas propriedades por simples torção abre caminho para uma engenharia fina de materiais quânticos.
Esta descoberta poderia acelerar a pesquisa rumo a supercondutores funcionando em temperatura ambiente. Ao compreender melhor os mecanismos não convencionais em ação nestas estruturas de grafeno, os cientistas esperam conceber novos materiais utilizáveis para projetar redes elétricas sem perda, imageamento médico ou computação quântica.
Os pesquisadores planejam agora aplicar seu método a outros materiais bidimensionais, buscando identificar novos candidatos supercondutores. Esta abordagem permite estudar diretamente como os elétrons formam pares e interagem com outros estados quânticos, oferecendo uma janela única para o mundo microscópico dos materiais quânticos.
O fenômeno da supercondutividade
A supercondutividade representa um estado particular da matéria onde a resistência elétrica torna-se exatamente zero. Neste estado, a corrente elétrica pode circular indefinidamente sem perda de energia, um pouco como um fluido perfeito que fluiria sem atrito.
Este estado aparece geralmente em temperaturas extremamente baixas, frequentemente próximas do zero absoluto (-273°C). Os materiais precisam ser resfriados usando hélio ou nitrogênio líquido, o que limita consideravelmente suas aplicações práticas apesar de sua eficiência notável.
O mecanismo fundamental envolve a formação de "pares de Cooper", onde dois elétrons se associam apesar de sua repulsão natural. Nos supercondutores convencionais, esta associação é mediada pelas vibrações da rede cristalina, enquanto nos supercondutores não convencionais, interações eletrônicas mais complexas entram em jogo.
A descoberta de novos mecanismos de supercondutividade abre a possibilidade de conceber materiais funcionando em temperaturas mais elevadas, o que revolucionaria o transporte e o armazenamento de energia.
O grafeno e suas propriedades excepcionais
O grafeno é constituído por uma única camada de átomos de carbono dispostos em rede hexagonal, semelhante a uma tela de arame. Esta estrutura bidimensional confere-lhe propriedades elétricas e mecânicas notáveis que valeram o prêmio Nobel de física a seus descobridores em 2010.
Material mais fino conhecido, o grafeno é também extremamente resistente e flexível. Sua condutividade elétrica excepcional faz dele um candidato ideal para a eletrônica de nova geração e aplicações energéticas.
Quando se sobrepõem várias camadas de grafeno torcendo-as ligeiramente, observa-se o aparecimento de propriedades quânticas surpreendentes. O ângulo dito "mágico" de aproximadamente 1,1 grau cria padrões de interferência que modificam profundamente o comportamento dos elétrons.
Estas estruturas torcidas constituem uma plataforma ideal para estudar fenômenos quânticos e explorar novos estados da matéria, tornando o grafeno um material promissor para a física fundamental e as tecnologias futuras.
Fonte: Science