Ao determinar a temperatura supercondutora máxima alcançável do materials, 60 Kelvin, Cornell pesquisadores estão avançando na compreensão de como ela chega a esse estado, segundo estudo publicado na Cartas de revisão física.
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O grafeno é um materials simples composto por apenas uma camada de átomos de carbono, mas quando duas folhas são empilhadas juntas e deslocadas em um ligeiro ângulo, o materials de dupla camada torcida resultante produz vários efeitos intrigantes, principalmente a supercondutividade.
A descoberta é matematicamente precisa, um feito raro na área, e está a desencadear novas pesquisas sobre os factores que controlam fundamentalmente a supercondutividade.
Olhando para o futuro, isto abre caminho para a compreensão de quais são os possíveis graus de liberdade que se deve tentar controlar e optimizar, a fim de aumentar a tendência para a supercondutividade nestas plataformas de materiais bidimensionais.
Debanjan Chowdhury, professor assistente, Departamento de Física, Universidade Cornell
Chowdhury é coautor de “Low-Vitality Optical Sum-Rule in Moiré Graphene”, que foi publicado em 4 de novembroo2024 em Cartas de revisão física. O primeiro autor do estudo é Juan Felipe Mendez-Valderrama, Ph.D. ’24, que agora está na Universidade de Princeton; o segundo autor é Dan Mao, que foi Bethe/KIC Concept Fellow no Laboratório de Física Atômica e do Estado Sólido de Cornell de 2021 a 2024 e agora está na Universidade de Zurique.
Chowdhary acrescentou: “Pegar duas camadas de grafeno e defini-las em 1,1 graus, um ângulo mágico, leva a efeitos dramáticos. Um desses efeitos é que, simplesmente variando um campo elétrico, os experimentalistas podem transformar o grafeno de dupla camada torcida em um supercondutor ou em um isolante, que possuem propriedades elétricas totalmente diferentes. É claro que queremos saber teoricamente qual é a temperatura mais alta possível na qual os elétrons podem superconduzir em camadas torcidas de grafeno e o que estabelece a interação entre os vários isolantes e supercondutores.”
Um novo formalismo teórico foi criado em 2023 por Chowdhury e Mao para calcular a temperatura máxima de transição supercondutora que pode ser alcançada em qualquer materials empilhando e torcendo materiais bidimensionais. Eles o usaram no grafeno de bicamada torcida para o estudo atual.
Eles desenvolveram essas expressões rigorosas em 2023, que na época só podiam ser calculadas aproximadamente. O que tentamos fazer aqui é calcular isso com precisão em um modelo realista de grafeno de bicamada torcida, o que leva a novos insights sobre os fatores que controlam fundamentalmente a supercondutividade.
Juan Felipe Mendez-Valderrama, pesquisador de pós-doutorado do PCCM, Universidade de Princeton
A capacidade dos elétrons de se moverem através de um materials sem perder energia é conhecida como supercondutividade e é uma das características mais desejadas nos laboratórios de física de todo o mundo. Atualmente, isso está limitado a temperaturas extremamente baixas.
Materiais convencionais como o alumínio, onde os elétrons se movem com energias cinéticas tão altas que quase não se notam, são bem conhecidos por sua supercondutividade. Chowdhury afirmou que isso simplifica significativamente a explicação da supercondutividade. Além disso, as temperaturas nas quais os materiais convencionais se tornam supercondutores são baixas em relação às escalas de energia inerentes aos materiais.
Em contraste, de acordo com Chowdhury, o movimento de cada elétron na bicamada torcida do grafeno é altamente coordenado com todos os outros elétrons. Além disso, em comparação com as escalas de energia intrínseca, a temperatura de transição do materials, que começa em cerca de 5 Kelvin, é comparativamente elevada, oferecendo esperança para o desenvolvimento de supercondutores com temperaturas ainda mais elevadas no futuro.
“Uma das propriedades notáveis do grafeno de bicamada torcida é a sintonização associada. Você tem um controle sem precedentes sobre a temperatura e o ângulo de torção – os minúsculos campos elétricos que são aplicados para mudar o materials de isolante para supercondutor – tornando muito fácil explorar todos os tipos de regimes excitantes neste materials”, afirmou Chowdhary.
Segundo Mao, o referencial teórico desenvolvido pela equipe será aplicado a outros materiais no futuro.
Estamos pensando em outras combinações promissoras de materiais além do grafeno de bicamada torcida para identificar possíveis supercondutores de temperatura mais alta, e também tentando estender essas ideias a outras propriedades optoeletrônicas desejáveis que podem ser medidas por meio de experimentos.
Dan Mao, pesquisador de pós-doutorado, Universidade de Zurique
Esta pesquisa foi parcialmente financiada por uma bolsa da Nationwide Science Basis e uma bolsa Sloan Analysis Fellowship.
Referência do periódico:
Méndez-Valderrama, JF et. tudo. (2024) Regra da Soma Óptica de Baixa Energia em Grafeno Moiré. Cartas de revisão física. doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.196501