Em 2018, o mundo da física foi incendiado com a descoberta de que quando uma camada ultrafina de carbono, chamada grafeno, é empilhada e torcida em um “ângulo mágico”, essa nova estrutura de dupla camada se converte em um supercondutor, permitindo que a eletricidade flua sem resistência ou desperdício de energia. Agora, em uma literal reviravolta, os cientistas de Harvard expandiram esse sistema supercondutor adicionando uma terceira camada e girando-a, abrindo a porta para avanços contínuos na supercondutividade à base de grafeno.
O trabalho é descrito em um novo artigo na Science e pode um dia ajudar a levar a supercondutores que operam em temperaturas mais altas ou até próximas da ambiente. Esses supercondutores são considerados o Santo Graal da física da matéria condensada, pois permitiriam enormes revoluções tecnológicas em muitas áreas, incluindo transmissão de eletricidade, transporte e computação quântica. A maioria dos supercondutores hoje, incluindo a estrutura de grafeno de camada dupla, funciona apenas em temperaturas ultracold.
“A supercondutividade no grafeno torcido fornece aos físicos um sistema modelo experimentalmente controlável e teoricamente acessível, onde eles podem brincar com as propriedades do sistema para decodificar os segredos da supercondutividade em alta temperatura”, disse um dos co-autores do artigo Andrew Zimmerman, um pesquisador de pós-doutorado em trabalho no laboratório do físico de Harvard Philip Kim.
O grafeno é uma camada de átomos de carbono com a espessura de um átomo que é 200 vezes mais forte que o aço, embora seja extremamente flexível e mais leve que o papel. Quase sempre foi conhecido por ser um bom condutor de calor e corrente elétrica, mas é notoriamente difícil de manusear. Experimentos desbloqueando o quebra-cabeça do grafeno de dupla camada torcida estão em andamento desde que o físico do MIT Pablo Jarillo-Herrero e seu grupo foram os pioneiros no campo emergente da “twistrônica” com seu experimento em 2018, onde produziram o supercondutor de grafeno girando-o em um ângulo mágico de 1,1 graus .
Os cientistas de Harvard relataram empilhar com sucesso três folhas de grafeno e, em seguida, torcer cada uma delas naquele ângulo mágico para produzir uma estrutura de três camadas que não só é capaz de supercondutividade, mas o faz de forma mais robusta e em temperaturas mais altas do que muitas das camadas duplas grafeno. O novo e aprimorado sistema também é sensível a um campo elétrico aplicado externamente que permite ajustar o nível de supercondutividade ajustando a intensidade desse campo.
“Isso nos permitiu observar o supercondutor em uma nova dimensão e nos forneceu pistas importantes sobre o mecanismo que está conduzindo a supercondutividade”, disse o outro autor principal do estudo, Zeyu Hao, um Ph.D. Aluno da Graduate School of Arts and Sciences também atuando no Kim Group.
Um desses mecanismos deixou os teóricos realmente entusiasmados. O sistema de três camadas mostrou evidências de que sua supercondutividade se deve a fortes interações entre elétrons em oposição a fracas. Se for verdade, isso pode não apenas ajudar a abrir um caminho para a supercondutividade de alta temperatura, mas também para possíveis aplicações na computação quântica.
“Na maioria dos supercondutores convencionais, os elétrons se movem com alta velocidade e ocasionalmente se cruzam e influenciam uns aos outros. Neste caso, dizemos que seus efeitos de interação são fracos”, disse Eslam Khalaf, coautor do estudo e pós-doutorando no laboratório do professor de física de Harvard Ashvin Vishwanath. “Enquanto os supercondutores de interação fraca são frágeis e perdem a supercondutividade quando aquecidos a alguns Kelvins, os supercondutores de forte acoplamento são muito mais resilientes, mas muito menos compreendidos. Perceber a supercondutividade de forte acoplamento em um sistema simples e ajustável, como a tricamada, pode abrir caminho para finalmente desenvolver um compreensão teórica de supercondutores fortemente acoplados para ajudar a realizar o objetivo de um supercondutor de alta temperatura, talvez até à temperatura ambiente.”
Os pesquisadores planejam continuar a explorar a natureza dessa supercondutividade incomum em estudos futuros.
“Quanto mais entendemos, melhor temos a chance de aumentar as temperaturas de transição supercondutoras”, disse Kim.
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