Avanço do MIT Caminha para Supercondutores em Temperatura Ambiente

Entretanto, esses supercondutores “convencionais” operam apenas em temperaturas extremamente baixas. Eles precisam ser mantidos em sistemas de resfriamento especializados para permanecer em seu estado supercondutor. Se materiais pudessem ser supercondutores a temperaturas mais altas, mais práticas, poderiam transformar a tecnologia moderna — desde a criação de redes de energia que não desperdiçam energia até possibilitar computadores quânticos mais funcionais. Para alcançar esse objetivo, pesquisadores do MIT e de outras instituições estão explorando supercondutores “não convencionais”, materiais que desafiam as regras dos convencionais e podem levar ao próximo grande avanço.

Descoberta do Grafeno com Ângulo Mágico do MIT

Em um momento avançado, físicos do MIT observaram evidências claras de supercondutividade não convencional no grafeno triplamente torcido em ângulo mágico (MATTG). Este material único é criado empilhando três camadas de grafeno com 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 indicassem que o MATTG poderia abrigar supercondutividade não convencional, as novas descobertas, publicadas na Science, oferecem a confirmação mais direta até o momento.

Uma Nova Visão do Gap Supercondutor

A equipe do MIT conseguiu medir o gap supercondutor do MATTG, que indica quão forte é o estado supercondutor de um material em diferentes temperaturas. Eles descobriram que o gap no MATTG se parecia completamente diferente do que é visto em supercondutores convencionais. Essa diferença sugere que a maneira como o MATTG se torna supercondutor depende de um mecanismo distinto e não convencional.

“Existem muitos mecanismos diferentes que podem levar à supercondutividade em materiais,” explica Shuwen Sun, coautor principal e estudante de doutorado no Departamento de Física do MIT. “O gap supercondutor nos dá uma pista sobre que tipo de mecanismo pode levar a supercondutores em temperatura ambiente que eventualmente beneficiarão a sociedade humana.”

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

“Entender bem um supercondutor não convencional pode desencadear nossa compreensão do restante,” diz Pablo Jarillo-Herrero, professor Cecil e Ida Green de Física no MIT e autor sênior do estudo. “Essa compreensão pode guiar o desenho de supercondutores que funcionem em temperatura ambiente, que é meio que o 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 uma tela de galinheiro. Cientistas podem descascar uma camada de grafeno do grafite (o mesmo material do grafite de lápis) para estudar suas propriedades. Nos anos 2010, 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 foi o primeiro a produzir experimentalmente esse chamado grafeno de “ângulo mágico” e revelar suas propriedades extraordinárias. Esse trabalho lançou um novo campo de pesquisa conhecido como “twistrônica”, que estuda os efeitos surpreendentes que emergem 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 indícios de supercondutividade não convencional.

Como os Elétrons Cooperam

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

“Nos supercondutores convencionais, os elétrons nesses pares estão muito distantes uns dos outros e fracamente ligados,” diz Jeong Min Park, coautor principal e doutorando do MIT. “Mas no grafeno de ângulo mágico, já poderíamos ver indícios de que esses pares estão muito fortemente ligados, quase como uma molécula. Havia dicas de que há algo muito diferente sobre esse material.”

Investigando o Mundo Quântico Através da Tunelamento

Para provar que o MATTG realmente exibe supercondutividade não convencional, os pesquisadores do MIT precisavam medir diretamente seu gap supercondutor. Como explica Park, “Quando um material se torna supercondutor, os elétrons se movem juntos em pares em vez de individualmente, e há um ‘gap’ de energia que reflete o quão ligados eles estão. A forma e simetria desse gap 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 atuam tanto como partículas quanto como ondas, o que lhes permite “túnel” através de barreiras que normalmente os impediriam. Estudando quão facilmente os elétrons podem passar pelo material, os pesquisadores podem aprender o quão fortemente estão ligados a ele. No entanto, apenas os resultados de tunelamento não provam necessariamente que um material é supercondutor, tornando medições diretas tanto cruciais quanto desafiadoras.

Um Olhar Mais Próximo para o Gap Supercondutor

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 (a resistência zero significa que é supercondutor).

Usando esse método no MATTG, os pesquisadores puderam identificar claramente o gap de tunelamento supercondutor – ele apareceu apenas quando o material alcançou resistência zero, a marca definidora de supercondutividade. À medida que alteravam a temperatura e o campo magnético, o gap exibiu uma curva em forma de V acentuada, muito diferente do padrão suave e plano típico de supercondutores convencionais.

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

Um Tipo Diferente de Emparelhamento de Elétrons

Na maioria dos supercondutores, os elétrons se emparelham devido a vibrações na rede atômica circundante, que os empurram gentilmente juntos. Park acredita que o MATTG opera de forma diferente.

“Neste sistema de grafeno de ângulo mágico, há teorias que explicam que o emparelhamento provavelmente surge de interações eletrônicas fortes em vez de vibrações da rede,” diz ela. “Isso significa que os próprios elétrons ajudam uns aos outros a se emparelhar, formando um estado supercondutor com simetria especial.”

O Caminho à Frente: Materiais Quânticos de Próxima 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 outros estados quânticos 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 o design e controle de novos supercondutores e materiais quânticos que poderiam, 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 Fundo de Pesquisa Samsung Semiconductor MIT/MTL, do Programa de Ponte Sagol WIS-MIT, da Fundação Nacional de Ciências, da Fundação Gordon e Betty Moore, e da Fundação Ramon Areces.