Ao medir uma lacuna de energia incomum, cientistas do MIT descobriram como o grafeno torcido pode desbloquear um novo tipo de comportamento supercondutor.
O MIT físicos relataram que descobriram novas evidências importantes de supercondutividade não convencional no grafeno de três camadas torcido de “ângulo mágico” (MATTG), um materials criado pelo empilhamento de três folhas atomicamente finas de grafeno em um ângulo específico, ou torção, que permite o surgimento de propriedades exóticas.
Os resultados foram relatados em Ciência.
Os supercondutores são semelhantes aos trens rápidos de um sistema de metrô. A eletricidade “embarca” em um materials supercondutor e pode viajar através dele sem parar ou perder energia.
Como resultado, os supercondutores são incrivelmente eficientes em termos energéticos e são usados para alimentar uma ampla gama de aplicações, incluindo máquinas de ressonância magnética e aceleradores de partículas.
No entanto, estes supercondutores “convencionais” têm aplicações limitadas, uma vez que devem ser arrefecidos a temperaturas ultrabaixas usando sistemas de arrefecimento complicados para manter a sua condição supercondutora.
Se os supercondutores pudessem operar a temperaturas mais elevadas, semelhantes às ambientes, abririam toda uma série de tecnologias, desde linhas e redes eléctricas com perda zero de energia até sistemas de computação quântica realistas.
Assim, os cientistas do MIT e de outros lugares estão pesquisando supercondutores “não convencionais” – materiais que apresentam supercondutividade de maneiras que diferem e potencialmente superam os supercondutores atuais.
O MATTG já revelou pistas indiretas de supercondutividade incomum e outros fenômenos eletrônicos estranhos. A última descoberta fornece a prova mais concreta da supercondutividade incomum do materials.
Os pesquisadores conseguiram quantificar a lacuna supercondutora do MATTG, que mede a robustez do estado supercondutor de um materials em temperaturas específicas.
Eles descobriram que a lacuna supercondutora do MATTG parece extremamente diferente daquela de um supercondutor regular, o que implica que o mecanismo pelo qual o materials se torna supercondutor também deve ser único e atípico.
Existem muitos mecanismos diferentes que podem levar à supercondutividade nos materiais. A lacuna supercondutora nos dá uma pista sobre que tipo de mecanismo pode levar a coisas como supercondutores à temperatura ambiente que eventualmente beneficiarão a sociedade humana.
Shuwen Solar, co-autor principal do estudo e estudante de pós-graduação, Departamento de Física, Instituto de Tecnologia de Massachusetts
Os pesquisadores descobriram sua descoberta usando uma plataforma experimental única que lhes permite “observar” virtualmente a lacuna supercondutora à medida que ela surge em materiais bidimensionais em tempo actual. Eles pretendem usar a plataforma para investigar mais detalhadamente o MATTG e mapear a lacuna supercondutora em materiais 2D adicionais, o que pode revelar perspectivas intrigantes para aplicações futuras.
Compreender muito bem um supercondutor não convencional pode desencadear nossa compreensão do resto. Esse entendimento pode orientar o projeto de supercondutores que funcionam em temperatura ambiente, por exemplo, o que é uma espécie de Santo Graal de todo o campo..
Pablo Jarillo-Herrero, autor sênior do estudo, professor Cecil e Ida Inexperienced, Massachusetts Institute of Expertise
Quando um materials é um supercondutor, os elétrons que passam podem acoplar-se em vez de se repelirem e se espalharem. Quando os elétrons formam “pares de Cooper”, eles podem deslizar através de um materials sem atrito, em vez de colidirem e voarem como energia perdida.
Esse emparelhamento de elétrons é o que permite a supercondutividade; no entanto, a maneira como eles são vinculados varia.
Nos supercondutores convencionais, os elétrons nesses pares estão muito distantes um do outro e fracamente ligados. Mas no grafeno de ângulo mágico, já podíamos ver assinaturas de que esses pares estão fortemente ligados, quase como uma molécula. Houve indícios de que há algo muito diferente neste materials.
Jeong Min Park, autor co-líder do estudo, Departamento de Física, Instituto de Tecnologia de Massachusetts
Tunelamento
Jarillo-Herrero e colegas conduziram uma nova investigação para ver e validar diretamente a supercondutividade incomum em uma rede de grafeno de ângulo mágico. Para fazer isso, eles precisariam determinar a lacuna supercondutora do materials.
“Quando um materials se torna supercondutor, os elétrons se movem juntos como pares, em vez de individualmente, e há uma “lacuna” de energia que reflete como eles estão ligados. A forma e a simetria dessa lacuna nos dizem a natureza subjacente da supercondutividade”, explicou Parque.
Park e seus colegas criaram uma plataforma experimental que combina tunelamento de elétrons com transporte elétrico, técnica usada para determinar a supercondutividade de um materials enviando corrente através dele e medindo continuamente sua resistência elétrica (a resistência zero indica que o materials é supercondutor).
Os cientistas usaram a nova plataforma para medir a lacuna supercondutora no MATTG. Ao integrar medições de tunelamento e transporte no mesmo dispositivo, os cientistas foram capazes de distinguir claramente a lacuna de tunelamento supercondutor, que surgiu apenas quando o materials tinha resistência elétrica zero, uma característica definidora da supercondutividade.
Eles então observaram como essa lacuna mudava com a temperatura e os campos magnéticos. Surpreendentemente, a lacuna tinha um perfil característico em forma de V, que diferia significativamente da forma plana e uniforme dos supercondutores normais.
Esta forma de V representa um método incomum pelo qual os elétrons no MATTG se unem para superconduzir. O mecanismo exato é desconhecido.
No entanto, o fato de a forma da lacuna supercondutora no MATTG diferir daquela de um supercondutor padrão fornece evidências convincentes de que o materials é um supercondutor atípico.
Nos supercondutores convencionais, os elétrons se acoplam devido às vibrações na rede atômica circundante, essencialmente unindo as partículas. No entanto, Park pensa que um mecanismo distinto está em funcionamento no MATTG.
Esta forma de V ilustra um mecanismo não convencional specific através do qual os elétrons no MATTG formam pares para alcançar a supercondutividade. A natureza precisa deste mecanismo ainda não é totalmente compreendida. No entanto, a forma distinta da lacuna supercondutora no MATTG, que difere daquela dos supercondutores padrão, oferece evidências cruciais de que este materials se qualifica como um supercondutor não convencional.
Nos supercondutores tradicionais, o emparelhamento de elétrons ocorre por meio de vibrações da rede atômica circundante, o que efetivamente une as partículas. No entanto, Park levanta a hipótese de que um mecanismo alternativo pode estar funcionando no MATTG.
“Neste sistema de grafeno de ângulo mágico, existem teorias que explicam que o emparelhamento provavelmente surge de fortes interações eletrônicas, e não de vibrações de rede. Isso significa que os próprios elétrons ajudam uns aos outros a formar pares, formando um estado supercondutor com simetria especial.”, acrescentou Park.
Os pesquisadores agora usarão a nova plataforma experimental para explorar várias construções e materiais torcidos bidimensionais.
“Isso nos permite identificar e estudar as estruturas eletrônicas subjacentes da supercondutividade e outras fases quânticas à medida que acontecem, dentro da mesma amostra. Esta 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 poderão um dia alimentar tecnologias mais eficientes ou computadores quânticos.”, concluiu Park.
Referência do periódico:
Parque, JM, e outros. (2025) Evidência experimental de lacuna supercondutora nodal em grafeno moiré. Ciência. DOI: 10.1126/science.adv8376. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv8376.