Uma nova reviravolta e segredos da supercondutividade

O súbito aparecimento de um supercondutor parecia uma coincidência, mas a nova teoria e a segunda descoberta mostraram que quasipartículas emergentes poderiam estar por trás desse efeito.





Skyrmions surgem do comportamento coletivo de muitos elétrons, mas se comportam como partículas individuais.



Nos últimos três anos, os elétrons têm jogado jogos para físicos.



O jogo começou em 2018 quando o laboratório de Pablo Jarillo-Herrero anunciou uma descoberta de uma década : quando os pesquisadores empilharam uma camada de átomos de carbono em cima da outra, aplicaram uma torção "mágica" de 1,1 grau entre eles e, em seguida, resfriaram as placas atômicas para perto do zero absoluto, então a amostra tornou-se um condutor ideal de elétrons.



Como as partículas conspiraram para deslizar perfeitamente pelas folhas de grafeno? O "moiré" caleidoscópico criado pelo ângulo de inclinação parecia um resultado significativo, mas ninguém tinha certeza. Para descobrir, os pesquisadores começaram a dobrar e torcer (girar) qualquer material que pudessem colocar as mãos.



No início, os elétrons atuaram. Uma série de experimentos mostrou que, em muitos materiais planos, as baixas temperaturas causam uma queda acentuada na resistência elétrica. Parecia que as condições necessárias para a condutividade ideal já eram mais bem compreendidas e, portanto, aquele passo atraente para a revolução na eletrônica estava próximo.



"Parecia que a supercondutividade estava em todo lugar", disse Matthew Yankowitz , um físico de matéria condensada da Universidade de Washington, "não importa para qual sistema você olhasse."



Mas os elétrons de repente "colocam uma máscara de falsa modéstia". Conforme os pesquisadores estudaram as amostras mais de perto, os casos de supercondutividade desapareceram. Em alguns materiais, a resistência não caiu a zero. Houve resultados conflitantes nas várias amostras estudadas. Apenas na bicamada original do grafeno os elétrons realmente se moviam sem "resistência" na maioria dos casos.



"Tínhamos um zoológico inteiro de diferentes materiais retorcidos, e o grafeno retorcido de duas camadas era o único supercondutor", disse Jankowitz.



Então, no último mês em dois artigos publicados nas revistas "Nature" e "Science", outro supercondutor foi descrito, um "sanduíche" de grafeno de três camadas com duas folhas de "pão" externas uniformes e uma folha de recheio girada em 1,56 graus.

A capacidade inconfundível de transferir elétrons de grafeno trançado de três camadas confirma que o sistema de duas placas não foi um acidente. "Foi o primeiro de uma família de supercondutores moiré", disse Jarillo-Herrero, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que também liderou um dos novos experimentos, e este é o segundo membro da família.





Revista Samuel Velasco / Quanta; Fonte: Cortesia de Pablo Jarillo-Herrero





É importante ressaltar que esse segundo “irmão” ajudou a lançar luz sobre o mecanismo subjacente que poderia ser responsável pela supercondutividade desses materiais.



Poucos meses após a descoberta de 2018, um grupo de teóricos começou a questionar o mecanismo que tornava o grafeno de camada dupla um supercondutor. Eles suspeitavam que uma característica geométrica particular poderia permitir que os elétrons girassem em vórtices exóticos que se comportam de maneiras completamente novas. Este mecanismo, que é diferente de qualquer um dos (poucos) circuitos supercondutores conhecidos, poderia explicar o sucesso da supercondutividade de grafeno de duas camadas, bem como as falhas de outros materiais. Ele também previu que o "irmão" de três camadas do grafeno também seria um supercondutor.



Mas isso permaneceu apenas uma teoria, pelo menos até que os laboratórios pudessem testá-la. “Pelo que sabemos agora, essa direção parece emocionante”, disse Eslam Khalaf , pesquisador da Universidade de Harvard que ajudou a desenvolver o modelo. "Não é todo dia que surge uma nova forma de produzir supercondutividade."

Três milagres

Em um mundo caótico onde o atrito é abundante e as partículas nunca permanecem estacionárias, um fenômeno tão perfeito como a supercondutividade não tem o direito de existir. No entanto, metais comuns, como o mercúrio, aparecem regularmente em baixas temperaturas, como Heike Kamerling Onnes descobriu acidentalmente no início do século XX.



O segredo é que vibrações próximas do zero absoluto na rede atômica de um metal separam os elétrons em pares. Esses pares interagem de uma forma que os elétrons individuais não podem interagir, formando um único "superfluido" mecânico quântico que flui através do material sem uma única colisão de elétrons com um átomo (que gera calor e resistência). A teoria original da supercondutividade, desenvolvida em 1957, descreveu-a como uma "dança" eletrônica sofisticada que pode ser interrompida por todos, exceto os ambientes mais ideais. “É uma espécie de milagre que eles se conectem, porque os elétrons se repelem tanto”, disse Ashwin Vishwanath , um físico teórico de Harvard.



Em 1986, os pesquisadores notaram os elétrons realizando um segundo milagre, desta vez em uma família de compostos de cobre conhecidos como cupratos. Os materiais poderiam de alguma forma manter a supercondutividade dezenas de graus acima da temperatura que freqüentemente separa os pares de elétrons comuns. Parecia haver um novo mecanismo em funcionamento, provavelmente relacionado principalmente aos próprios elétrons, e não à sua estrutura atômica.





A equipe de Ashwin Vishwanath descobriu uma maneira de entender a supercondutividade no grafeno estudando sua estrutura geométrica. Cortesia de Ashwin Vishwanath



Mas depois de décadas de intenso estudoOs pesquisadores ainda não têm certeza de como os elétrons nos cupratos governam suas habilidades supercondutoras. Prever o comportamento de conglomerados eletrônicos envolve o cálculo da força bruta de cada partícula umas sobre as outras - um cálculo que cresce em complexidade exponencialmente à medida que o número de elétrons aumenta. Para entender até mesmo a menor partícula de um supercondutor, os teóricos precisam entender o comportamento dos trilhões de elétrons. A simulação atual pode lidar com cerca de uma dúzia.



Os experimentadores não estão na melhor posição agora. Eles podem desenvolver novos cristais trocando um átomo por outro e testando suas propriedades. Mas o material não revela o que os elétrons estão fazendo lá dentro. E os pesquisadores não sabem como o material se comportará até que o façam. “Ninguém poderia dizer que eu iria fazer este novo [cuprate]”, disse Yankowitz, “e prever qual seria [a temperatura na qual ele se tornaria um supercondutor]. Agora é uma tarefa terrivelmente difícil. "



As propriedades únicas do grafeno de duas camadas torcidas o tornaram mais transparente do que os cupratos. Em vez de criar uma substância completamente nova, os experimentadores podiam alterar as propriedades do grafeno apenas com um campo elétrico, o que o tornava, de acordo com muitos pesquisadores, um "playground" para a supercondutividade.



“Este é um desafio emocionante e uma característica notável do grafeno de camada dupla torcida”, disse Subir Sachdev , físico da matéria condensada em Harvard. "Isso fornece um novo conjunto de ferramentas para estudar o movimento dos elétrons."



Ele também ofereceu orientação teórica. Em um ângulo mágico de 1,1 graus, as redes em favo de mel do grafeno são conectadas de tal forma que geralmente os elétrons rápidos se movem lentamente - os físicos descrevem esse material como "listras planas". Os elétrons inertes passam mais tempo juntos, o que lhes dá a oportunidade de se organizar.



Mas a liderança foi vaga. Elétrons em materiais com listras planas podem se comunicar de várias maneiras, e o emparelhamento supercondutor é apenas um deles. Os pesquisadores empilharam muitas placas atômicas em ângulos mágicos para suavizar as listras, mas o raio supercondutor não queria ser pego na garrafa.



Eles pareciam estar perdendo algo importante.

Skyrmions de vórtice

Em março de 2018, logo após a descoberta da supercondutividade no grafeno torcido, Vishwanath e seus colegas tentaram desmistificar o ângulo mágico e entender o que poderia manter os elétrons juntos.



Era impossível escrever uma teoria que refletisse totalmente o movimento dos elétrons rebeldes no grafeno de duas camadas, então os teóricos começaram imaginando partículas que se comportavam um pouco melhor. Eles viram a rede hexagonal de grafeno como duas sub-redes de triângulos. Quando os elétrons se movem de um átomo a outro, geralmente "saltam" para um átomo na grade oposta. Às vezes, um rebelde salta para um átomo na mesma grade.









Vishwanath e companhia insistiam que os elétrons sempre mudavam a grade. Essa escolha tornou matematicamente mais fácil subdividir a grade hexagonal em triangulares. E no grafeno de duas camadas, com suas duas camadas, foi descoberta uma característica obscura que acabou se tornando importante: os elétrons, confinados dessa forma, começaram a se mover como se estivessem sob a influência de um campo magnético. Em particular, os elétrons em uma sub-rede aparentemente sentiram um campo magnético positivo, enquanto os elétrons na outra sub-rede sentiram um negativo. Os teóricos não estavam muito cientes disso, mas a chave para uma nova teoria da supercondutividade estava bem na superfície.



Quando a teoria foi aplicada para obter o ângulo mágico de 1,1 graus em agosto de 2018 no grafeno de duas camadas, Vishwanath e colegas começaram a aumentar o número de camadas de grafeno. A teoria, que foi originalmente desenvolvida para duas camadas, foi aplicada às novas estruturas muito melhor do que o esperado. Eles descobriram que podiam calcular o ângulo mágico para cada pilha sucessiva de grafeno usando relações simples que pareciam fora do alcance da complexidade crescente de sistemas mais massivos.



“Na física da matéria condensada, você percebe especialmente que está fazendo algo muito próximo da realidade física ou mesmo prática, mas de vez em quando você vê este mundo ideal, que está escondido atrás”, disse Vishwanath.



À medida que o grupo fazia pesquisas adicionais, acrescentando detalhes mais realistas à teoria, a supercondutividade emergia, mas de uma forma completamente nova. É possível que não pares de elétrons tenham sido formados, mas fluxos de elétrons conhecidos como skyrmions... Como o grafeno de duas camadas consiste em duas camadas, ele tem quatro sub-redes, mas essas sub-redes com a mesma carga magnética atuam como uma só. Os campos magnéticos eficazes fazem com que os elétrons que visitam os átomos em uma grade tendam a tornar a superfície mais áspera, enquanto os elétrons em outra grade tendem a torná-la mais lisa. Essa configuração pode travar os elétrons no lugar para que o sistema se comporte como um isolante. (Curiosamente, experimentos com cupratos e grafeno de camada dupla torcida sugerem que ambos os materiais atuam como isolantes antes de se tornarem supercondutores.)



Mas se você perturbar o equilíbrio com uma carga adicional, os elétrons em cada sub-rede podem assumir um padrão coletivo de vórtice - um skyrmion - onde um elétron girando no epicentro de uma tempestade torna-o áspero (ou suaviza) e seus vizinhos são suavizados em uma espiral.









Embora milhares de elétrons possam entrar no skyrmion do grafeno, o vórtice age como se fosse uma partícula com a carga de um elétron. Você pode esperar que skyrmions negativos se repelam, mas as regras da mecânica quântica que governam como os elétrons "saltam" entre duas sub-redes, na verdade, atraem skyrmions em grades opostas juntas. Em outras palavras, eles formam pares de cargas semelhantes a elétrons - um requisito fundamental para a supercondutividade.



A chave para a história do skyrmion é a simetria rotacional de 180 graus, que determina a transferência de elétrons entre sub-redes triangulares. O retângulo tem a mesma simetria. Tanto o hexágono quanto a estrutura retangular ou hexagonal o possuem. Mas dobrar e torcer folhas de qualquer coisa que não seja o grafeno quebra essa ordem. Finalmente, Viswanath e seus colegas foram capazes de explicar por que o zoológico de treliça torcida não conseguiu se tornar um supercondutor.



“Foi o momento em que tudo se juntou”, disse Khalaf.

Teoria e Grafeno

Jarillo-Herrero já pensava que algo bom pode vir de três camadas. Os elétrons em materiais com listras planas se movem devagar o suficiente para que as partículas trabalhem juntas, mas a supercondutividade pode ser aumentada pela "dispersão" de listras, através das quais os vapores se movem com mais facilidade. Para o grafeno de duas camadas torcidas, a primeira é característica. A última afirmação é típica do grafeno de camada única. Colocá-los juntos pode nos dar o melhor dos dois mundos.



Então veio a previsão do grupo Vishwanath de que 1,5 graus é o ângulo mágico para a criação de skyrmions supercondutores em três camadas de grafeno.



Tendo esses argumentos em mente, o laboratório de Jarillo-Herrero, bem como o laboratório de Philip Kimem Harvard começou a criar pilhas de folhas de grafeno de três camadas. Ambos os laboratórios viram tudo o que os teóricos previram e muito mais.





Laboratório Pablo Jarillo-Herrero





Laboratório Philip Kim.

Fonte da foto: Bryce Wickmark; Eliza Grinnell / Harvard SEAS



Se o grafeno de duas camadas é uma plataforma para a supercondutividade, então o grafeno de três camadas é uma verdadeira celebração e festival. Os experimentadores podem não apenas ajustar o número de elétrons na rede, mas também mover elétrons arbitrariamente entre as camadas usando um segundo campo elétrico. Com essa flexibilidade, os pesquisadores podem pesquisar pontos supercondutores, fazendo com que os elétrons pareçam estar se movendo através de um sistema de duas camadas, um sistema de uma única camada ou qualquer número de sistemas híbridos.



Usando essa capacidade de personalização sem precedentes, os laboratórios confirmaram que, ao contrário de outros materiais torcidos, o grafeno de três camadas passa em todos os testes de supercondutividade. Eles também encontraram várias indicações indiretas de que a supercondutividade ocorre de maneiras incomuns.



Primeiro, os elétrons interagem muito bem. Em supercondutores convencionais, onde aglomerados de átomos emparelham elétrons livres, apenas 1 elétron em 100.000 se junta ao superfluido supercondutor. Os cupratos envolvem cerca de 1 em 30 elétrons livres. Mas no sistema de três camadas, de acordo com os pesquisadores, cada décima pessoa participa.



Os elementos em pares supercondutores - sejam eles elétrons ou skyrmions - também estão muito próximos. As extremidades dos pares de elétrons no alumínio super-resfriado são espaçadas 10.000 vezes a distância média entre os elétrons, o que é como uma sopa de espaguete comprido. E no grafeno de três camadas, pares supercondutores se agrupam como macarrão, e os elementos estão igualmente próximos tanto do “parceiro” quanto dos “vizinhos”.



Dado o quão difícil é saber tudo o que acontece dentro de um material no nível subatômico, é muito cedo para dizer que os skyrmions fornecem supercondutividade no grafeno multicamadas. Mas, para Halaf, o comportamento estranho que Jarillo-Herrero e Kim observaram convergem com vórtices de elétrons.



Ao contrário dos pares de elétrons padrão, os pares skyrmion se ligam fortemente para produzir uma supercondutividade altamente eficiente. Objetos compostos também são grandes e bem espaçados.



E nos metais padrão, os elétrons, caindo em um estado que pressupõe uma escolha entre uma variedade de ações possíveis, levam a uma forte supercondutividade. Mas quando os pesquisadores deram esse tipo de liberdade aos elétrons em um sistema de três camadas, a supercondutividade desapareceu. De acordo com Khalaf, isso pode ser porque a maior liberdade permite que os skyrmions desmoronem.



“Eu não acho que podemos definitivamente considerar este supercondutor não convencional”, disse Corey Dean., um físico da matéria condensada da Universidade de Columbia. Mas ele acrescentou que a reação incomum ao aumento da liberdade "definitivamente aponta na direção oposta".



Se a simetria rotacional que Vishwanath e seus colegas identificaram é realmente crítica para a supercondutividade do grafeno multicamadas, os cientistas de materiais podem um dia usar esse fato para se orientar em um campo de muitos bilhões de materiais possíveis e encontrar uma rede que pode manter os elétrons juntos em um dia quente.



As cargas no grafeno torcido são distribuídas muito finamente pelas células moiré gigantes para supercondutividade em altas temperaturas, mas o vínculo que as mantém unidas - sejam skyrmions ou o que quer que seja - parece forte. Os pesquisadores esperam que um estudo mais aprofundado do grafeno torcido e teorias que explicam suas propriedades incomuns expliquem sua supercondutividade confiável e apontem o caminho para uma rede que pode absorver mais calor.



“Se você conseguir o mesmo efeito na escala dos átomos, ele realmente se aplicará”, disse Sachdev. (Omiti, resumi)