Além de transmitirem eletricidade sem resistência elétrica, os supercondutores interessam aos físicos pelos estranhos estados quânticos que os elétrons podem assumir no interior desses materiais. As propriedades desses estados exóticos podem servir de base para construir computadores quânticos, por exemplo. Infelizmente, ainda continua muito difícil a fabricação e controle das propriedades desses materiais. Um estudo teórico realizado pela brasileira Aline Ramires e o espanhol Jose Lado, no Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETH), na Suíça, mostra como criar e controlar estados exóticos de elétrons em folhas de grafita com um átomo de espessura, um material mais conhecido como grafeno.
“Podemos agora usar a estrutura mais simples e controlável do grafeno para estudar um tipo de física antes estudada apenas em sistemas muito complexos”, diz Ramires, que desde setembro trabalha no Instituto Sul Americano para Pesquisa Fundamental (SAIFR-ICTP), no prédio do Instituto de Física Teórica da UNESP, em São Paulo. A física é a primeira autora do artigo científico destacado na capa da primeira edição de outubro da revista Physical Review Letters.
Ramires explica que, a princípio, elétrons em estados exóticos só poderiam ser obtidos em grafeno aplicando no material um campo magnético de intensidade alta demais para se realizar em laboratório. No artigo publicado, os pesquisadores apresentam uma nova receita para produzir esses estados exóticos usando apenas um campo elétrico, relativamente mais fácil de ser gerado.
Pegue duas folhas de grafeno e coloque uma sobre a outra, perfeitamente alinhadas. Em seguida, gire apenas um pouquinho a folha de cima, não mais que um grau de rotação em relação à folha de baixo. Resfrie as folhas até a temperatura de 1 Kelvin (272 graus Celsius abaixo de zero) e depois aplique um campo elétrico. De acordo com os cálculos de Ramires e Lado, os elétrons se comportam nessas condições exatamente da mesma maneira que se comportariam caso as folhas de grafeno estivessem alinhadas e sob ação de um campo magnético.
Por coincidência, logo após a dupla de físicos publicar seus resultados em um manuscrito no repositório ArXiv, em março deste ano, um grupo de físicos liderado por Pablo Jarillo-Herrero, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), Estados Unidos, apresentou resultados de experimentos com duas folhas de grafeno, mostrando que girar as folhas sob um campo elétrico até um determinado ângulo produz um estado supercondutor.
O estudo de Ramires e Lado, porém, sugere que girar uma folha em relação à outra por um ângulo cerca de dez vezes menor pode fazer com que os elétrons assumam ainda outros estados exóticos, além do estado supercondutor observado pela equipe do MIT. Em um desses outros estados, os elétrons podem ficar localizados no espaço em um arranjo que lembra o padrão geométrico de cestos de bambu tradicionais japoneses, o padrão kagome. Nesse estado os elétrons formam o que os físicos chamam de líquidos de spin, normalmente observados em pirocloros, materiais de composição química muito mais complicada que a do grafeno.
Enquanto uma equipe de físicos experimentais da ETH trabalha para confirmar suas conclusões em laboratório, Ramires continua sua investigação teórica para entender como campos elétricos controlam o surgimento de estados exóticos de supercondutividade no grafeno. Atualmente, esses estados exóticos são observados apenas em materiais chamados de cupratos. São óxidos de cobre com alguns de seus átomos de oxigênio substituídos por elementos químicos diferentes. Físicos estudam há mais de três décadas os cupratos, por serem materiais supercondutores a temperaturas relativamente altas, da ordem de 100 Kelvin. Ainda assim, os cupratos são muito complicados de serem sintetizados e suas propriedades ainda não são totalmente compreendidas. “Estudar esses estados exóticos no grafeno talvez dê algumas dicas para entendermos melhor esses materiais mais complexos”, diz Ramires.
Essa matéria foi publicada originalmente pela Sociedade Brasileira de Física.
