Efeitos quânticos podem ajudar a tornar o grafeno de duas camadas torcidas um supercondutor

Efeitos quânticos podem ajudar a tornar o grafeno de duas camadas torcidas um supercondutor

Carimbo de hora: 9 de março de 2023 10h00

O inserto do criostato usado nos experimentos
Dispositivos de medição tBLG: o inserto de criostato usado nos experimentos. (Cortesia: J Lau)

A geometria quântica desempenha um papel fundamental ao permitir que um material conhecido como grafeno de bicamada torcida (tBLG) se torne um supercondutor, de acordo com novos experimentos de físicos da A Universidade Estadual de Ohio, A Universidade do Texas em Dallas, e as Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão. A descoberta implica que as equações amplamente empregadas de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) para supercondutores precisam ser modificadas para materiais como o tBLG, que possuem cargas muito lentas. Também pode ajudar a fornecer novos princípios orientadores na busca de novos supercondutores que operem em temperaturas mais altas, dizem os pesquisadores.

O grafeno é um cristal bidimensional de átomos de carbono dispostos em um padrão de favo de mel. Este chamado “material maravilhoso” possui muitas propriedades excepcionais, incluindo alta condutividade elétrica à medida que os portadores de carga (elétrons e buracos) atravessam a rede de carbono em velocidades muito altas.

Em 2018, pesquisadores liderados por Pablo Jarillo-Herrero do MIT descobriu que quando duas dessas folhas são colocadas uma sobre a outra com um pequeno desalinhamento angular, elas formam uma estrutura conhecida como superrede moiré. E quando o ângulo de torção entre eles atinge o (teoricamente previsto) “ângulo mágico” de 1.08°, essa configuração de bicamada “torcida” começa a mostrar propriedades como supercondutividade abaixo de uma certa temperatura crítica, Tc, – isto é, conduz eletricidade sem qualquer resistência.

Nesse ângulo, a maneira como os elétrons se movem nas duas folhas acopladas muda porque eles agora são forçados a se organizar na mesma energia. Isso leva a bandas eletrônicas “planas”, nas quais os estados dos elétrons têm exatamente a mesma energia, apesar de terem momentos diferentes. Essa estrutura de banda plana torna os elétrons sem dispersão - ou seja, sua energia cinética é completamente suprimida e eles não podem se mover na rede moiré. O resultado é que as partículas desaceleram quase até parar e ficam localizadas em posições específicas ao longo das folhas acopladas.

Um paradoxo de condução

No novo trabalho, os pesquisadores, liderados por Marc Bockrath e Jeanie Lau, mostrou que os elétrons no tBLG se movem com uma velocidade lenta em torno de 700–1200 m/s. Isso pode parecer rápido em termos convencionais, mas na verdade é um fator de 1000 mais lento que a velocidade dos elétrons no grafeno monocamada.

“Essa velocidade constitui uma velocidade intrínseca para os elétrons no tBLG e, portanto, também um limite para a quantidade de corrente que o material pode transportar, seja supercondutor ou metálico”, explica Lau. “Essa velocidade lenta dá origem a um paradoxo: como o tBLG conduz eletricidade, quanto mais supercondutor, se os elétrons se movem tão lentamente?”

“A resposta é a geometria quântica”, diz ela.

A geometria comum refere-se a como os pontos ou objetos estão relacionados espacialmente – por exemplo, a que distância eles estão e como estão conectados. A geometria quântica é semelhante, mas descreve a natureza quântica dos elétrons, que não são apenas partículas, mas também ondas e, portanto, têm funções de onda e como essas funções de onda se conectam e se interligam. “Essa contribuição acaba sendo fundamental para permitir a supercondutividade”, diz Bockrath Mundo da física. “Em vez de elétrons em movimento rápido, as ricas conexões das funções de onda dos elétrons são importantes.”

A maioria dos supercondutores até hoje são descritos pela teoria BCS (em homenagem a seus descobridores, Bardeen, Cooper e Schrieffer). Esta teoria explica por que a maioria dos elementos metálicos superconduz abaixo de sua Tc: seus elétrons fermiônicos emparelham-se para criar bósons chamados pares de Cooper. Esses bósons formam um condensado de fase coerente que pode fluir através do material como uma supercorrente que não sofre espalhamento, e a supercondutividade é uma consequência disso.

A teoria é insuficiente, no entanto, quando se trata de explicar os mecanismos por trás dos supercondutores de alta temperatura. De fato, o mecanismo subjacente à supercondutividade de alta temperatura é considerado um dos problemas fundamentais não resolvidos da física.

“Nossos resultados mostram que as equações BCS também precisam ser modificadas para supercondutores como tBLG com cargas muito lentas”, diz Lau. “Nosso trabalho também pode fornecer novos princípios orientadores na busca de novos supercondutores que possam operar em temperaturas mais altas do que as conhecidas”, acrescenta Bockrath.

A equipe agora continuará investigando o tBLG para quantificar e entender o papel da geometria quântica em colaboração com os teóricos.

A pesquisa é detalhada em Natureza.

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