A inovação quântica do MIT avança em direção aos supercondutores de temperatura ambiente

No entanto, estes supercondutores “convencionais” só operam em temperaturas extremamente baixas. Eles devem ser mantidos em sistemas de resfriamento especializados para permanecerem em seu estado supercondutor. Se os materiais pudessem ser supercondutores a temperaturas mais quentes e práticas, poderiam transformar a tecnologia moderna – desde a criação de redes de energia que não desperdiçam energia até à criação de computadores quânticos mais funcionais. Para atingir esse objetivo, investigadores do MIT e de outras instituições estão a explorar supercondutores “não convencionais”, materiais que desafiam as regras dos tradicionais e podem levar ao próximo grande avanço.

Descoberta de grafeno de ângulo mágico do MIT

Em um grande avanço, os físicos do MIT observaram evidências claras de supercondutividade não convencional no grafeno de três camadas torcido de “ângulo mágico” (MATTG). Este material único é criado empilhando três folhas de grafeno da espessura de um átomo em um ângulo muito específico. Essa pequena torção altera dramaticamente as propriedades do material, dando origem a efeitos quânticos estranhos e promissores.

Embora estudos anteriores sugerissem que o MATTG poderia hospedar supercondutividade não convencional, as novas descobertas, publicadas em Ciênciaoferecem a confirmação mais direta até o momento.

Um novo olhar sobre a lacuna dos supercondutores

A equipe do MIT mediu com sucesso a lacuna supercondutora do MATTG, que indica quão forte é o estado supercondutor de um material em diferentes temperaturas. Eles descobriram que a lacuna no MATTG parecia completamente diferente daquela vista nos supercondutores convencionais. Esta diferença sugere que a forma como o MATTG se torna supercondutor depende de um mecanismo distinto e não convencional.

“Existem muitos mecanismos diferentes que podem levar à supercondutividade nos materiais”, explica o co-autor Shuwen Sun, estudante de pós-graduação no Departamento de Física do MIT. “A lacuna supercondutora nos dá uma pista sobre que tipo de mecanismo pode levar a coisas como supercondutores à temperatura ambiente que eventualmente beneficiarão a sociedade humana.”

A equipe fez essa descoberta com um novo sistema experimental que permite observar diretamente como a lacuna supercondutora se forma em materiais bidimensionais. Eles planejam usar a técnica para estudar mais detalhadamente o MATTG e outros materiais 2D, na esperança de identificar novos candidatos para tecnologias avançadas.

“Compreender muito bem um supercondutor não convencional pode desencadear a nossa compreensão do resto”, diz Pablo Jarillo-Herrero, professor de física Cecil e Ida Green no MIT e autor sênior do estudo. “Essa compreensão pode orientar o projeto de supercondutores que funcionam à temperatura ambiente, por exemplo, o que é uma espécie de Santo Graal de todo o campo”.

As origens da Twistrônica

O grafeno é feito de uma única camada de átomos de carbono dispostos em um padrão hexagonal que se parece com tela de arame. Os cientistas podem retirar uma folha de grafeno da grafite (o mesmo material da grafite do lápis) para estudar suas propriedades. Na década de 2010, os pesquisadores previram que empilhar duas camadas de grafeno em um ângulo muito preciso poderia criar novos comportamentos eletrônicos.

Em 2018, o grupo de Jarillo-Herrero tornou-se o primeiro a produzir experimentalmente o chamado grafeno de “ângulo mágico” e a revelar as suas propriedades extraordinárias. Esse trabalho lançou um novo campo de pesquisa conhecido como “twistrônica”, que estuda os efeitos surpreendentes que surgem quando materiais ultrafinos são empilhados e torcidos em orientações exatas. Desde então, a equipe e outros exploraram uma variedade de estruturas de grafeno com múltiplas camadas, revelando mais sinais de supercondutividade não convencional.

Como os elétrons cooperam

A supercondutividade ocorre quando os elétrons formam pares em vez de se dispersarem à medida que se movem através de um material. Esses elétrons emparelhados, conhecidos como “pares de Cooper”, podem viajar sem resistência, criando um fluxo de corrente perfeito.

“Em supercondutores convencionais, os elétrons nesses pares estão muito distantes um do outro e fracamente ligados”, diz o co-autor principal Jeong Min Park PhD ’24. “Mas no grafeno de ângulo mágico, já podíamos ver assinaturas de que estes pares estão fortemente ligados, quase como uma molécula. Havia indícios de que há algo muito diferente neste material.”

Sondando o mundo quântico por meio de túneis

Para provar que o MATTG realmente exibe supercondutividade não convencional, os pesquisadores do MIT precisavam medir diretamente a sua lacuna supercondutora. Como explica Park, “Quando um material se torna supercondutor, os elétrons se movem juntos como pares, em vez de individualmente, e há uma ‘lacuna’ de energia que reflete como eles estão ligados. A forma e a simetria dessa lacuna nos dizem a natureza subjacente da supercondutividade.”

Para fazer isso, os cientistas usaram uma técnica em escala quântica conhecida como espectroscopia de tunelamento. Nesse nível, os elétrons agem tanto como partículas quanto como ondas, o que lhes permite “encaixar um túnel” através de barreiras que normalmente os deteriam. Ao estudar a facilidade com que os elétrons podem atravessar um material, os pesquisadores podem aprender o quão fortemente eles estão ligados dentro dele. No entanto, os resultados do tunelamento por si só nem sempre provam que um material é supercondutor, tornando as medições diretas cruciais e desafiadoras.

Uma análise mais detalhada da lacuna dos supercondutores

A equipe de Park desenvolveu uma nova plataforma que combina espectroscopia de tunelamento com medições de transporte elétrico, que envolvem rastrear como a corrente se move através do material enquanto monitora sua resistência (resistência zero significa que é supercondutor).

Usando este método no MATTG, os pesquisadores puderam identificar claramente a lacuna de tunelamento supercondutor – ela apareceu apenas quando o material atingiu resistência zero, a marca definidora da supercondutividade. À medida que mudavam a temperatura e o campo magnético, a lacuna exibia uma curva acentuada em forma de V, muito diferente do padrão plano e suave típico dos supercondutores convencionais.

Esta forma incomum de V aponta para um novo mecanismo por trás da supercondutividade do MATTG. Embora o processo exato ainda seja desconhecido, agora está claro que este material se comporta de forma diferente de qualquer supercondutor convencional descoberto antes.

Um tipo diferente de emparelhamento de elétrons

Na maioria dos supercondutores, os elétrons se emparelham devido às vibrações na rede atômica circundante, que os aproximam suavemente. Park acredita que o MATTG opera de forma diferente.

“Neste sistema de grafeno de ângulo mágico, existem teorias que explicam que o emparelhamento provavelmente surge de fortes interações eletrônicas, e não de vibrações de rede”, diz ela. “Isso significa que os próprios elétrons ajudam uns aos outros a formar pares, formando um estado supercondutor com simetria especial.”

O caminho a seguir: materiais quânticos de última geração

A equipe do MIT planeja aplicar sua nova configuração experimental para estudar outros materiais torcidos e em camadas.

“Isso nos permite identificar e estudar as estruturas eletrônicas subjacentes da supercondutividade e outras fases quânticas à medida que acontecem, dentro da mesma amostra”, explica Park. “Essa visão direta pode revelar como os elétrons se emparelham e competem com outros estados, abrindo caminho para projetar e controlar novos supercondutores e materiais quânticos que poderão um dia alimentar tecnologias mais eficientes ou computadores quânticos.”

Esta pesquisa recebeu apoio do Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, do MIT/MTL Samsung Semiconductor Research Fund, do Programa Sagol WIS-MIT Bridge, da National Science Foundation, da Fundação Gordon e Betty Moore e da Fundação Ramon Areces.