Os supercondutores funcionam como trens de alta velocidade para a eletricidade. Uma vez que a corrente elétrica entra em um supercondutor, ela pode viajar através dele sem resistência ou perda de energia. Devido a essa eficiência notável, os supercondutores já são essenciais em tecnologias como ressonância magnética e aceleradores de partículas.
No entanto, esses supercondutores “convencionais” operam apenas em temperaturas extremamente frias. Eles precisam ser mantidos em sistemas de refrigeração especializados para permanecer em seu estado supercondutor. Se materiais puderem se tornar supercondutores em temperaturas mais quentes e práticas, poderiam transformar a tecnologia moderna – desde a criação de redes de energia que não desperdiçam energia até a possibilidade de computadores quânticos mais funcionais. Para atingir esse objetivo, pesquisadores do MIT e outras instituições estão explorando supercondutores “não convencionais”, materiais que desafiam as regras dos convencionais e podem levar à próxima grande inovação.
Descoberta do Grafeno em Ângulo Mágico pelo MIT
Em um grande avanço, físicos do MIT observaram evidências claras de supercondutividade não convencional no grafeno em tri-camadas torcido em “ângulo mágico” (MATTG). Este material único é criado pela sobreposição de três folhas de grafeno com densidade atômica a um ângulo muito específico. Essa leve torsão altera dramaticamente as propriedades do material, dando origem a efeitos quânticos estranhos e promissores.
Enquanto estudos anteriores sugeriam que o MATTG poderia hospedar supercondutividade não convencional, as novas descobertas, publicadas na Science, oferecem a confirmação mais direta até agora.
Uma Nova Perspectiva sobre o Espaço de Supercondutividade
A equipe do MIT mediu com sucesso o espaço de supercondutividade do MATTG, que indica quão forte é o estado supercondutor de um material em diferentes temperaturas. Eles descobriram que o espaço no MATTG parecia completamente diferente do observado em supercondutores convencionais. Essa diferença sugere que a maneira como o MATTG se torna supercondutor depende de um mecanismo distinto e não convencional.
“Existem muitos mecanismos diferentes que podem levar à supercondutividade em materiais,” explica Shuwen Sun, coautor da pesquisa e aluno de pós-graduação do Departamento de Física do MIT. “O espaço de supercondutividade nos oferece uma pista sobre que tipo de mecanismo pode levar a supercondutores em temperatura ambiente que beneficiarão a sociedade humana.”
A equipe fez essa descoberta com um novo sistema experimental que permite observar diretamente como o espaço de supercondutividade se forma em materiais bidimensionais. Eles planejam usar a técnica para estudar o MATTG e outros materiais 2D em mais detalhes, na esperança de identificar novos candidatos para tecnologias avançadas.
“Entender um supercondutor não convencional muito bem pode desencadear nossa compreensão do restante,” diz Pablo Jarillo-Herrero, professor Cecil e Ida Green de Física do MIT e autor sênior do estudo. “Esse entendimento pode guiar o design de supercondutores que funcionem à temperatura ambiente, que é, de certa forma, o Santo Graal de todo o campo.”
As Origens da Twistrônica
O grafeno é composto por uma única camada de átomos de carbono organizados em um padrão hexagonal que se assemelha a uma tela de galinheiro. Cientistas podem descascar uma folha de grafeno do grafite (o mesmo material contido nas pontas dos lápis) para estudar suas propriedades. Na década de 2010, pesquisadores previram que empilhar duas camadas de grafeno em um ângulo muito preciso poderia criar novos comportamentos eletrônicos.
Em 2018, o grupo de Jarillo-Herrero foi o primeiro a produzir experimentalmente esse chamado grafeno em “ângulo mágico” e revelar suas propriedades extraordinárias. Esse trabalho lançou um novo campo de pesquisa conhecido como “twistrônica”, que estuda os efeitos surpreendentes que surgem quando materiais ultrafinos são empilhados e torcidos em orientações exatas. Desde então, a equipe e outros exploraram uma variedade de estruturas de grafeno com várias camadas, revelando mais sinais de supercondutividade não convencional.
Como os Elétrons Coopera
A supercondutividade ocorre quando os elétrons formam pares, ao invés de se dispersar enquanto se movem através de um material. Esses elétrons emparelhados, conhecidos como “pares de Cooper”, podem viajar sem resistência, criando um fluxo perfeito de corrente.
“Em supercondutores convencionais, os elétrons desses pares estão muito distantes uns dos outros e fracamente ligados,” diz Jeong Min Park, coautor da pesquisa e doutorando do MIT. “Mas no grafeno em ângulo mágico, já conseguimos ver sinais de que esses pares estão muito fortemente ligados, quase como uma molécula. Havia indícios de que havia algo muito diferente neste material.”
Investigando o Mundo Quântico Através da Tunelamento
Para provar que o MATTG realmente exibe supercondutividade não convencional, os pesquisadores do MIT precisavam medir seu espaço de supercondutividade diretamente. Conforme Park explica, “Quando um material se torna supercondutor, os elétrons se movem juntos em pares, ao invés de individualmente, e há uma ‘lacuna’ de energia que reflete como estão ligados. A forma e a simetria dessa lacuna nos dizem a natureza fundamental da supercondutividade.”
Para isso, os cientistas usaram uma técnica em escala quântica conhecida como espectroscopia de tunelamento. Nesse nível, os elétrons agem tanto como partículas quanto como ondas, o que lhes permite “tunelar” através de barreiras que normalmente os impediriam. Estudando com que facilidade os elétrons podem tunelar através de um material, os pesquisadores podem aprender o quão fortemente estão ligados dentro dele. No entanto, as medições de tunelamento por conta própria nem sempre provam que um material é supercondutor, tornando medições diretas tanto cruciais quanto desafiadoras.
Um Olhar Mais Aprofundado sobre o Espaço de Supercondutividade
A equipe de Park desenvolveu uma nova plataforma que combina espectroscopia de tunelamento com medições de transporte elétrico, que envolvem rastrear como a corrente se move através do material enquanto monitora sua resistência (resistência zero significa que é supercondutor).
Usando esse método no MATTG, os pesquisadores puderam identificar claramente o espaço de tunelamento supercondutor – ele apareceu apenas quando o material atingiu resistência zero, a marca definidora da supercondutividade. À medida que mudaram a temperatura e o campo magnético, o espaço exibiu uma curva em V acentuada, muito diferente do padrão suave e plano típico dos supercondutores convencionais.
Essa forma incomum em V aponta para um novo mecanismo por trás da supercondutividade do MATTG. Embora o processo exato ainda seja desconhecido, agora está claro que este material se comporta de maneira diferente de qualquer supercondutor convencional descoberto anteriormente.
Um Tipo Diferente de Emparelhamento de Elétrons
Na maioria dos supercondutores, os elétrons se emparelham devido a vibrações na rede atômica circundante, que os empurram suavemente. Park acredita que o MATTG opera de maneira diferente.
“Neste sistema de grafeno em ângulo mágico, existem teorias que explicam que o emparelhamento provavelmente surge de fortes interações eletrônicas ao invés de vibrações na rede,” afirma. “Isso significa que os próprios elétrons ajudam uns aos outros a se emparelhar, formando um estado supercondutor com simetria especial.”
O Caminho à Frente: Materiais Quânticos de Próxima Geração
A equipe do MIT planeja aplicar seu novo setup experimental para estudar outros materiais torcidos e em camadas.
“Isso nos permite identificar e estudar as estruturas eletrônicas subjacentes da supercondutividade e outros estados quânticos à medida que acontecem, dentro da mesma amostra,” explica Park. “Essa visão direta pode revelar como os elétrons se emparelham e competem com outros estados, abrindo caminho para projetar e controlar novos supercondutores e materiais quânticos que podem, um dia, alimentar tecnologias mais eficientes ou computadores quânticos.”
Esta pesquisa recebeu apoio do Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, do Fundo de Pesquisa em Semicondutores MIT/MTL Samsung, do Programa de Ponte Sagol WIS-MIT, da Fundação Nacional de Ciências, da Fundação Gordon e Betty Moore, e da Fundação Ramon Areces.