Quando duas folhas de grafeno são empilhadas uma sobre a outra no ângulo certo, a estrutura em camadas se transforma em um supercondutor não convencional, permitindo que correntes elétricas passem sem resistência ou desperdício de energia.

Essa transformação de “ângulo mágico” no grafeno de duas camadas foi observada pela primeira vez em 2018 no grupo de Pablo Jarillo-Herrero, o professor Cecil e Ida Green de Física do MIT. Desde então, os cientistas têm pesquisado outros materiais que possam ser transformados de forma semelhante em supercondutividade, no campo emergente da “twistrônica”. Para a maior parte, nenhum outro material torcido exibiu supercondutividade além do grafeno de dupla camada torcida original, até agora.

Em um artigo publicado na Nature, Jarillo-Herrero e seu grupo relatam a observação da supercondutividade em um sanduíche de três folhas de grafeno, cuja camada do meio é torcida em um novo ângulo em relação às camadas externas. Esta nova configuração de camada tripla exibe supercondutividade que é mais robusta do que sua contraparte de camada dupla.

Os pesquisadores também podem ajustar a supercondutividade da estrutura aplicando e variando a intensidade de um campo elétrico externo. Ajustando a estrutura de três camadas, os pesquisadores foram capazes de produzir supercondutividade ultraforte, um tipo exótico de comportamento elétrico que raramente foi visto em qualquer outro material.

“Não estava claro se o grafeno de duas camadas de ângulo mágico era uma coisa excepcional, mas agora sabemos que não está sozinho; ele tem um primo no caso de três camadas”, diz Jarillo-Herrero. “A descoberta deste supercondutor hipercondutor estende o campo twistrônico em direções inteiramente novas, com aplicações potenciais em informações quânticas e tecnologias de detecção.”

Os co-autores do estudo são Jeong Min Park e Yuan Cao, do MIT, e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.

Uma nova super família

Pouco depois de Jarillo-Herrero e seus colegas descobrirem que a supercondutividade pode ser gerada no grafeno de duas camadas torcidas, os teóricos propõem que o mesmo fenômeno pode ser visto em três ou mais camadas de grafeno.

Uma folha de grafeno é uma camada de grafite com a espessura de um átomo, feita inteiramente de átomos de carbono dispostos em uma estrutura de “favo de mel”, como o arame de galinheiro mais fino e resistente. Os teóricos propuseram que se três folhas de grafeno fossem empilhadas como um sanduíche, com a camada do meio girada em 1,56 graus em relação às camadas externas, a configuração torcida criaria uma espécie de simetria que encorajaria os elétrons no material a se emparelhar e fluxo sem resistência – a marca registrada da supercondutividade.

“Nós pensamos, por que não, vamos tentar e testar essa ideia”, diz Jarillo-Herrero.

Park e Cao projetaram estruturas de grafeno de três camadas, cortando cuidadosamente uma única folha de grafeno em três seções e empilhando cada seção uma sobre a outra nos ângulos precisos previstos pelos teóricos.

Eles fizeram várias estruturas de três camadas, cada uma medindo alguns micrômetros de diâmetro (cerca de 1/100 do diâmetro de um fio de cabelo humano) e três átomos de altura.

“Nossa estrutura é um “sanduíche-nano”, disse Jarillo-Herrero.

A equipe então anexou eletrodos a cada extremidade das estruturas e passou uma corrente elétrica enquanto media a quantidade de energia perdida ou dissipada no material.

“Não vimos energia dissipada, o que significa que era um supercondutor”, diz Jarillo-Herrero. “Temos que dar crédito aos teóricos – eles acertaram o ângulo.”

Ele acrescenta que a causa exata da supercondutividade da estrutura – seja devido à sua simetria, como os teóricos propuseram, ou não — ainda está para ser vista e é algo que os pesquisadores planejam testar em experimentos futuros.

“No momento, temos uma correlação, não uma causalidade”, diz ele. “Agora, pelo menos, temos um caminho para possivelmente explorar uma grande família de novos supercondutores com base nesta ideia de simetria.”

“O maior estrondo”

Ao explorar sua nova estrutura de três camadas, a equipe descobriu que podia controlar sua supercondutividade de duas maneiras. Com o projeto anterior de bicamada, os pesquisadores podiam ajustar sua supercondutividade aplicando uma tensão de porta externa para alterar o número de elétrons que fluem através do material. À medida que aumentavam e diminuíam a tensão do gate, eles mediram a temperatura crítica na qual o material parou de dissipar energia e se tornou supercondutor. Desta forma, a equipe foi capaz de sintonizar a supercondutividade da bicamada de grafeno ligada e desligada, semelhante a um transistor.

A equipe usou o mesmo método para ajustar o grafeno de três camadas. Eles também descobriram uma segunda maneira de controlar a supercondutividade do material que não era possível no grafeno de camada dupla e outras estruturas torcidas. Usando um eletrodo adicional, os pesquisadores puderam aplicar um campo elétrico para mudar a distribuição de elétrons entre as três camadas da estrutura, sem alterar a densidade eletrônica geral da estrutura.

“Esses dois botões independentes nos fornecem muitas informações sobre as condições em que a supercondutividade aparece, o que pode fornecer uma visão da física fundamental para a formação de um estado supercondutor incomum”, disse Park.

Usando os dois métodos para ajustar a estrutura de três camadas, a equipe observou a supercondutividade sob uma variedade de condições, incluindo uma temperatura crítica relativamente alta de 3 kelvins, mesmo quando o material tinha uma baixa densidade de elétrons. Em comparação, o alumínio, que está sendo explorado como supercondutor para computação quântica, tem uma densidade muito maior de elétrons e só se torna supercondutor a cerca de 1 kelvin.

“Descobrimos que o grafeno de três camadas de ângulo mágico pode ser o supercondutor acoplado mais forte, o que significa que superconduta a uma temperatura relativamente alta, considerando a quantidade de elétrons que pode ter”, diz Jarillo-Herrero.

Os pesquisadores planejam fabricar estruturas de grafeno retorcido com mais de três camadas para ver se essas configurações, com densidades de elétrons mais altas, podem exibir supercondutividade em temperaturas mais altas, mesmo se aproximando da temperatura ambiente.

“Se pudéssemos fazer essas estruturas como estão agora, em escala industrial, poderíamos fazer bits supercondutores para computação quântica ou eletrônica supercondutora criogênica, fotodetectores, etc. Não descobrimos como fazer bilhões deles de uma vez”, disse Jarillo-Herrrero.

“Nosso objetivo principal é descobrir a natureza fundamental do que está por trás da supercondutividade fortemente acoplada”, diz Park. “O grafeno de três camadas não é apenas o supercondutor de acoplamento mais forte já encontrado, mas também o mais sintonizável. Com essa sintonização, podemos realmente explorar a supercondutividade , em qualquer lugar do espaço de fase.”

Artigo científico: DOI: 10.1038 / s41586-021-03192-0

Release de Instituto de Tecnologia de Massachusetts.