Os supercondutores funcionam como trens expressos para a eletricidade. Uma vez que a corrente elétrica entra em um supercondutor, ela pode viajar através dele sem resistência ou perda de energia. Devido a essa eficiência notável, os supercondutores já são essenciais em tecnologias como ressonância magnética (MRI) e aceleradores de partículas.
No entanto, esses supercondutores “convencionais” operam apenas em temperaturas extremamente frias. Eles precisam ser mantidos em sistemas de resfriamento especializados para permanecer em seu estado supercondutor. Se materiais pudessem ser supercondutores a temperaturas mais quentes e práticas, poderiam transformar a tecnologia moderna — desde a criação de redes elétricas que não desperdiçam energia até possibilitar computadores quânticos mais funcionais. Para chegar a esse objetivo, pesquisadores do MIT e de outras instituições estão explorando “supercondutores não convencionais”, materiais que desafiam as regras dos supercondutores tradicionais e podem levar a grandes avanços.
Descoberta do Grafeno em Ângulo Mágico do MIT
Em um grande avanço, físicos do MIT observaram evidências claras de supercondutividade não convencional em grafeno tri-camadas torcido em “ângulo mágico” (MATTG). Esse material único é criado ao empilhar três folhas de grafeno com uma espessura atômica 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 apresentar supercondutividade não convencional, as novas descobertas, publicadas na revista Science, oferecem a confirmação mais direta até o momento.
Uma Nova Perspectiva sobre o Gaps 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 parecia completamente diferente do que é visto em supercondutores convencionais. Essa 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 em materiais,” explica Shuwen Sun, co-autora principal e estudante de pós-graduação no Departamento de Física do MIT. “O gap supercondutor nos dá uma pista sobre que tipo de mecanismo pode levar a supercondutores que funcionam à temperatura ambiente e que eventualmente beneficiarão a sociedade.”
A equipe fez essa descoberta com um novo sistema experimental que permite observar diretamente como o gap supercondutor se forma em materiais bidimensionais. Eles pretendem usar essa técnica para estudar o MATTG e outros materiais 2D com mais detalhes, na esperança de identificar novos candidatos para tecnologias avançadas.
“Compreender bem um supercondutor não convencional pode desencadear nossa compreensão sobre os demais,” diz Pablo Jarillo-Herrero, professor Cecil e Ida Green de Física no MIT e autor sênior do estudo. “Esse entendimento pode guiar o design de supercondutores que funcionam à temperatura ambiente, que é tipo 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 assemelha a uma tela de galinha. Cientistas podem descascar uma camada de grafeno do grafite (o mesmo material do lápis) para estudar suas propriedades. Na década de 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 em “ângulo mágico” e revelar suas propriedades extraordinárias. Esse trabalho lançou um novo campo de pesquisa conhecido como “twistrônica”, que estuda os efeitos surpreendentes que surgem quando materiais ultra-finos 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 se agrupam em pares em vez de se dispersarem enquanto se movem por um material. Esses elétrons emparelhados, 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, co-autora principal e doutoranda do MIT. “Mas no grafeno em ângulo mágico, já pudemos ver indícios de que esses pares são muito fortemente ligados, quase como uma molécula. Havia indícios de que esse material é muito diferente.”
Procurando o Mundo Quântico Através da Túnel
Para provar que o MATTG exibe realmente supercondutividade não convencional, os pesquisadores do MIT precisavam medir diretamente seu gap supercondutor. Como Park explica, “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 como eles estão ligados. A forma e simetria desse gap nos dizem a natureza subjacente da supercondutividade.”
Para isso, os cientistas usaram uma técnica em escala quântica chamada espectroscopia de túnel. Nesse nível, os elétrons agem tanto como partículas quanto como ondas, o que lhes permite “tunar” através de barreiras que normalmente os deteriam. Estudando quão facilmente os elétrons podem tunelar através de um material, os pesquisadores podem descobrir quão fortemente estão ligados dentro dele. No entanto, apenas resultados da tunelagem não provam sempre que um material é supercondutor, tornando medições diretas cruciais e desafiadoras.
Um Olhar Mais Próximo para o Gap Supercondutor
A equipe de Park desenvolveu uma nova plataforma que combina espectroscopia de túnel com medições de transporte elétrico, que envolve monitorar como a corrente se move através do material enquanto acompanha sua resistência (zero resistência 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 atingiu resistência zero, a marca definidora da supercondutividade. Conforme mudaram a temperatura e o campo magnético, o gap exibiu uma curva em forma de V afiada, muito diferente do padrão suave e plano típico dos 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 até agora.
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 suavemente para juntos. Park acredita que o MATTG opera de maneira diferente.
“Neste sistema de grafeno em ângulo mágico, existem 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 seu novo arranjo experimental para estudar outros materiais torcidos e em camadas.
“Isso nos permite tanto identificar quanto estudar as estruturas eletrônicas subjacentes à supercondutividade e outros estados quânticos enquanto 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 poderiam um dia fornecer tecnologias mais eficientes ou computadores quânticos.”
Essa 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 Pontes Sagol WIS-MIT, da Fundação Nacional de Ciências, da Fundação Gordon e Betty Moore, e da Fundação Ramón Areces.
