Físicos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) descobriram que o grafeno de três camadas com ‘ângulo mágico’ pode ser um supercondutor antimagnético raro.

As novas descobertas podem ajudar a projetar máquinas de ressonância magnética mais potentes ou computadores quânticos poderosos.

Físicos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts notaram sinais de um tipo raro de supercondutividade em um material chamado grafeno de três camadas torcidas por ângulo mágico. Em um estudo publicado em naturezaOs pesquisadores relatam que o material exibe supercondutividade em campos magnéticos surpreendentemente altos de até 10 Tesla, que é três vezes maior do que o material seria esperado para suportar se fosse um supercondutor convencional.

Os resultados sugerem fortemente que o grafeno mágico de três camadas, que foi inicialmente descoberto pelo mesmo grupo, é um tipo muito raro de supercondutor, conhecido como “tripleto de spin”, impermeável a campos magnéticos elevados. Esses supercondutores exóticos podem melhorar muito as técnicas, como a imagem por ressonância magnética, que usa fios supercondutores sob um campo magnético para ressoar com tecidos biológicos e fazer sua imagem. As máquinas de ressonância magnética estão atualmente limitadas a campos magnéticos de 1 a 3 Tesla. Se eles pudessem ser construídos com supercondutores de giro triplo, a ressonância magnética poderia operar sob campos magnéticos mais elevados para produzir imagens mais claras e profundas do corpo humano.

Novas evidências para a supercondutividade de spin triplo no grafeno de camada tripla também podem ajudar os cientistas a projetar supercondutores mais fortes para a computação quântica prática.

“O valor deste experimento é o que nos ensina sobre a supercondutividade básica e como os materiais podem se comportar, de modo que, com essas lições aprendidas, possamos tentar projetar princípios para outros materiais que são mais fáceis de fabricar e talvez isso lhe dê uma melhor supercondutividade , ”Diz Pablo Jarillo Herrero, Professor Físico Cecil e Ida Green no Massachusetts Institute of Technology.

Seus co-autores no artigo incluem o pesquisador de pós-doutorado Yuan Kao e o estudante de pós-graduação Jeong Min Park no MIT, e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.

transformação estranha

Os materiais supercondutores são definidos por sua capacidade altamente eficiente de conduzir eletricidade sem perda de energia. Quando expostos a uma corrente elétrica, os elétrons no supercondutor se emparelham em “pares de cobre” que então viajam através do material sem resistência, como passageiros em um trem rápido.

Na grande maioria dos supercondutores, esses pares de passageiros têm um spin oposto, com um elétron girando para cima e o outro para baixo – uma configuração conhecida como “spin singular”. Esses pares são acelerados por um supercondutor, exceto para campos magnéticos elevados, que podem deslocar a energia de cada elétron em direções opostas, separando o par um do outro. Desta forma, e por meio de mecanismos, campos magnéticos elevados podem interromper a supercondutividade em supercondutores de spin convencionais.

“Esta é a razão fundamental pela qual a supercondutividade desaparece em um campo magnético grande o suficiente”, diz Park.

Mas há um punhado de supercondutores estranhos que não são afetados por campos magnéticos, mesmo em intensidades muito grandes. Esses materiais são supercondutores por meio de pares de elétrons com o mesmo spin – uma propriedade conhecida como “spin triplo”. Quando expostos a campos magnéticos elevados, a energia de ambos os elétrons no par de Cooper se desloca na mesma direção, de modo que eles não se separam, mas continuam a superconduzir sem perturbação, independentemente da intensidade do campo magnético.

O grupo de Jarillo-Herrero estava curioso para saber se o grafeno de ângulo mágico de camada tripla poderia fornecer pistas sobre a incomum supercondutividade de giro triplo. A equipe produziu um trabalho inovador estudando estruturas de moiré de grafeno – camadas de redes de carbono da espessura de um átomo que, quando empilhadas em ângulos específicos, podem levar a comportamentos eletrônicos surpreendentes.

Os pesquisadores relataram inicialmente essas propriedades peculiares em duas folhas angulares de grafeno, que eles chamaram de grafeno de camada dupla mágica. Eles logo seguiram os testes de grafeno de três camadas, uma formação em sanduíche de três folhas de grafeno que se mostrou mais forte do que sua contraparte de duas camadas, enquanto retinha sua supercondutividade em temperaturas mais altas. Quando os pesquisadores aplicaram um campo magnético modesto, eles notaram que o grafeno de três camadas era capaz de superconduzir em intensidades de campo que destruiriam a supercondutividade no grafeno de duas camadas.

“Achamos isso uma coisa muito estranha”, disse Jarilo Herrero.

retorno milagroso

Em seu novo estudo, os físicos testaram a supercondutividade do grafeno de três camadas sob campos magnéticos cada vez mais elevados. Eles fabricaram o material esfoliando finas camadas de carbono de um bloco de grafite, empilhando três camadas juntas e girando a camada do meio em 1,56 graus em relação às camadas externas. Eles anexaram um eletrodo a cada extremidade do material para passar uma corrente através dele e medir qualquer energia perdida no processo. Em seguida, eles ligaram um grande ímã no laboratório, com um campo que direcionaram paralelo ao material.

Quando eles aumentaram o campo magnético em torno do grafeno de três camadas, eles notaram que a supercondutividade se manteve bastante forte antes de desaparecer, mas então ressurgiu intrigantemente em intensidades de campo mais altas – um ressurgimento muito incomum que não ocorre em supercondutores convencionais.

“Em supercondutores de rotação única, se você eliminar a supercondutividade, ela nunca mais volta – desaparece para sempre”, diz Kao. “Aqui, ele reapareceu novamente. Portanto, isso definitivamente indica que este material não é uma peça única.”

Eles também observaram que após a “reentrada”, a supercondutividade persistiu até 10 Tesla, a força de campo máxima que um ímã de laboratório poderia produzir. Isso é cerca de três vezes maior do que um supercondutor teria de suportar se fosse um único spin convencional, de acordo com o limite de Pauli, uma teoria que prevê o campo magnético máximo no qual um material pode reter a supercondutividade.

O aparecimento da supercondutividade de grafeno de camada tripla, junto com sua estabilidade em campos magnéticos mais altos do que o esperado, exclui a possibilidade de que o material seja um supercondutor comum. Em vez disso, é provável que seja uma espécie muito rara, provavelmente tripla, que hospeda pares de Cooper que se movem rapidamente através do material, impermeáveis ​​a campos magnéticos elevados. A equipe planeja perfurar o material para confirmar seu estado de rotação preciso, o que pode ajudar a projetar ressonâncias magnéticas mais potentes, bem como computadores quânticos mais potentes.

“A computação quântica regular é muito frágil”, diz Jarillo Herrero. “Você olha para ele e ele desaparece homo. Cerca de 20 anos atrás, os teóricos propuseram um tipo de supercondutividade topológica que, se alcançada em qualquer material, poderia [enable] Um computador quântico onde os estados responsáveis ​​pela computação são muito poderosos. Isso daria mais poder infinito para fazer computação. O principal componente a ter em conta são os supercondutores de spin triplo, de um certo tipo. Não temos ideia se nossa espécie é desse tipo. Mas, mesmo que não fosse o caso, isso poderia facilitar a colocação de grafeno de três camadas com outros materiais para projetar esse tipo de supercondutividade. Pode ser um ótimo hack. Mas ainda é muito cedo. “

Referência: “Violação do limite de Pauli e reentrada da supercondutividade em grafeno ondulado” Por Yuan Kao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi e Pablo Jarillo-Herrero, 21 de julho de 2021, natureza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y

Esta pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, a National Science Foundation, a Gordon and Betty Moore Foundation, a Ramon Arreques Foundation e o Sevare Quantum Materials Program.