Os físicos do MIT observaram sinais de um tipo raro de supercondutividade em um material chamado grafeno de três camadas torcidas de ângulo mágico. Em um estudo publicado na Nature, os pesquisadores relatam que o material exibe supercondutividade em campos magnéticos surpreendentemente altos de até 10 Tesla, que é três vezes maior do que o material previsto para suportar se fosse um supercondutor convencional.
Os resultados sugerem fortemente que o grafeno de três camadas de ângulo mágico, que foi inicialmente descoberto pelo mesmo grupo, é um tipo muito raro de supercondutor, conhecido como “tripleto de spin”, que é impenetrável a campos magnéticos elevados. Esses supercondutores exóticos podem melhorar muito as tecnologias, como a imagem por ressonância magnética, que usa fios supercondutores sob um campo magnético para ressonar e criar imagens do tecido biológico. As máquinas de ressonância magnética estão atualmente limitadas a campos magnéticos de 1 a 3 Tesla. Se eles pudessem ser construídos com supercondutores spin-triplet, a ressonância magnética poderia operar sob campos magnéticos mais elevados para produzir imagens mais nítidas e profundas do corpo humano.
A nova evidência de supercondutividade de spin-tripleto no grafeno de três camadas também pode ajudar os cientistas a projetar supercondutores mais fortes para a computação quântica prática.
“O valor deste experimento é o que nos ensina sobre a supercondutividade fundamental, sobre como os materiais podem se comportar, para que, com essas lições aprendidas, possamos tentar projetar princípios para outros materiais que seriam mais fáceis de fabricar, que talvez possam lhe dar melhor supercondutividade “, diz Pablo Jarillo-Herrero, o Cecil e Ida Green Professor de Física no MIT.
Seus co-autores no artigo incluem o pós-doutorando Yuan Cao e o estudante de graduação Jeong Min Park no MIT, e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.
“Essa é a razão fundamental pela qual em um campo magnético grande o suficiente, a supercondutividade desaparece”, diz Park.
Mas existe um punhado de supercondutores exóticos que são impermeáveis a campos magnéticos, até intensidades muito grandes. Esses materiais superconduzem por meio de pares de elétrons com o mesmo spin – uma propriedade conhecida como “tripleto de spin”. Quando expostos a altos campos magnéticos, a energia de ambos os elétrons em um par de Cooper muda na mesma direção, de forma que eles não são separados, mas continuam supercondutores imperturbados, independentemente da intensidade do campo magnético.
O grupo de Jarillo-Herrero estava curioso para saber se o grafeno de três camadas de ângulo mágico poderia abrigar sinais dessa supercondutividade de spin-triplete mais incomum. A equipe produziu um trabalho pioneiro no estudo de estruturas de moiré de grafeno – camadas de redes de carbono da espessura de um átomo que, quando empilhadas em ângulos específicos, podem dar origem a comportamentos eletrônicos surpreendentes.
Os pesquisadores relataram inicialmente essas propriedades curiosas em duas folhas angulares de grafeno, que eles apelidaram de grafeno de dupla camada de ângulo mágico. Eles logo seguiram com testes de grafeno de três camadas, uma configuração em sanduíche de três folhas de grafeno que se revelou ainda mais forte do que sua contraparte em duas camadas, retendo a supercondutividade em temperaturas mais altas. Quando os pesquisadores aplicaram um campo magnético modesto, eles notaram que o grafeno de três camadas era capaz de superconduzir em intensidades de campo que destruiriam a supercondutividade no grafeno de duas camadas.
“Nós pensamos que isso é algo muito estranho”, diz Jarillo-Herrero.
Um super retorno
Em seu novo estudo, os físicos testaram a supercondutividade do grafeno em três camadas sob campos magnéticos cada vez mais elevados. Eles fabricaram o material removendo camadas de carbono da espessura de um átomo de um bloco de grafite, empilhando três camadas juntas e girando a do meio em 1,56 graus em relação às camadas externas. Eles anexaram um eletrodo a cada extremidade do material para fazer passar uma corrente e medir qualquer energia perdida no processo. Em seguida, eles ligaram um grande ímã no laboratório, com um campo que eles orientaram paralelo ao material.
À medida que aumentaram o campo magnético em torno do grafeno de três camadas, eles observaram que a supercondutividade se manteve forte até um ponto antes de desaparecer, mas então reapareceu curiosamente em intensidades de campo mais altas – um retorno que é altamente incomum e não ocorre em supercondutores convencionais de spin singuleto.
“Em supercondutores spin-singlet, se você matar a supercondutividade, ela nunca mais volta – desaparece para sempre”, diz Cao. “Aqui, ele reapareceu novamente. Portanto, isso definitivamente diz que este material não é um spin-singlet.”
Eles também observaram que após a “reentrada”, a supercondutividade persistiu até 10 Tesla, a força de campo máxima que o ímã do laboratório poderia produzir. Isso é cerca de três vezes maior do que o supercondutor deveria suportar se fosse um singuleto de spin convencional, de acordo com o limite de Pauli, uma teoria que prevê o campo magnético máximo no qual um material pode reter a supercondutividade.
O reaparecimento da supercondutividade em três camadas de grafeno, emparelhado com sua persistência em campos magnéticos mais elevados do que o previsto, exclui a possibilidade de que o material seja um supercondutor comum. Em vez disso, é provavelmente um tipo muito raro, possivelmente um tripleto de spin, hospedando pares Cooper que se movem rapidamente através do material, impermeáveis a campos magnéticos elevados. A equipe planeja aprofundar o material para confirmar seu estado de rotação exato, o que pode ajudar a informar o projeto de máquinas de ressonância magnética mais potentes e também de computadores quânticos mais robustos.
“A computação quântica regular é superfrágil”, diz Jarillo-Herrero. “Você olha para ele e, puf, ele desaparece. Cerca de 20 anos atrás, os teóricos propuseram um tipo de supercondutividade topológica que, se realizada em qualquer material, poderia [habilitar] um computador quântico onde os estados responsáveis pela computação são muito robustos. Isso seria dar infinito mais poder para fazer computação. O ingrediente principal para perceber que seriam supercondutores spin-triplet, de um certo tipo. Não temos ideia se nosso tipo é desse tipo. Mas mesmo que não seja, isso pode tornar mais fácil colocar o grafeno em três camadas com outros materiais para criar esse tipo de supercondutividade. Isso poderia ser um grande avanço. Mas ainda é muito cedo.”
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