Grafeno torcido revela um interruptor de supercondutividade oculto
Os pesquisadores descobriram evidências de que a supercondutividade pode ser controlada alterando o ambiente em torno de um material, um avanço que poderia eventualmente levar a uma eletrônica mais eficiente e a uma poderosa tecnologia quântica.
A supercondutividade permite que certos materiais conduzam eletricidade com perda zero de energia quando resfriados abaixo de uma temperatura crítica. Embora os cientistas tenham estudado o fenómeno durante décadas, muitos dos seus mecanismos subjacentes são mal compreendidos. Obter insights mais profundos sobre como as formas de supercondutividade podem ajudar os pesquisadores a projetar materiais melhores e a melhorar futuros dispositivos eletrônicos e quânticos.
Grafeno torcido exibe comportamento incomum
A pesquisa, liderada pelo professor de física da Universidade Estadual de Ohio, Chun Ning (Jeannie) Lau, concentrou-se em um material especialmente projetado conhecido como grafeno de dupla camada torcida. O material é feito empilhando duas folhas de carbono e girando-as um pouco uma em relação à outra.
A equipe de pesquisa combinou a estrutura do grafeno com titanato de estrôncio, um material sintético semelhante ao diamante. Esta configuração permite aos cientistas observar e influenciar como os elétrons interagem dentro do sistema.
As interações eletrônicas desempenham um papel importante na determinação de propriedades como magnetismo e ligações químicas. Nos supercondutores, os elétrons são organizados de uma maneira especial que permite que a eletricidade flua sem resistência. Ao ajustar o ambiente em torno do material, a equipe descobriu que poderia fortalecer ou enfraquecer essas interações e ativar e desativar efetivamente a supercondutividade.
“Os elétrons normalmente se repelem, mas nos supercondutores eles formam pares; essa formação de pares é a chave para a capacidade de um supercondutor de conduzir eletricidade sem dissipação”, disse Lau. “Nossas evidências sugerem que os elétrons, dependendo da sua sensibilidade ao ambiente circundante, são inesperadamente importantes para a mudança material.”
A descoberta desafia a teoria tradicional dos supercondutores
Os pesquisadores ficaram surpresos com uma de suas descobertas. À medida que aumentaram a coordenação específica entre os materiais, a supercondutividade enfraqueceu em vez de se fortalecer.
Este comportamento difere do que os cientistas normalmente observam em supercondutores convencionais, onde a redução da força repulsiva entre os elétrons normalmente fortalece a supercondutividade. O resultado inesperado destaca como materiais incomuns, como o grafeno de dupla camada torcida, podem se comportar de maneira muito diferente dos supercondutores tradicionais.
“Se for possível transmitir eletricidade sem perda de energia, isso será muito importante para as tecnologias que usamos no nosso dia a dia”, disse Lau. “Apesar das questões fundamentais que ainda precisam de respostas, este trabalho fornece essencialmente um caminho para um novo tipo de processo físico.”
A descoberta pode ajudar os pesquisadores a se aproximarem de um dos maiores objetivos da área: desenvolver supercondutores que operem em temperaturas muito mais altas, potencialmente até mesmo na temperatura ambiente. Alcançar esse marco poderia remodelar drasticamente a eletrônica, os sistemas de comunicação e a tecnologia de transmissão de energia.
Potencial para eletrônicos mais eficientes
Resultados, publicados Física da NaturezaSugira um método simples para controlar as condições necessárias para produzir supercondutividade.
Muitos supercondutores de alta temperatura enfrentam atualmente limitações que reduzem seu desempenho. Os pesquisadores acreditam que a manipulação do ambiente em torno desses materiais poderia fornecer uma nova maneira de melhorar suas capacidades e aumentar a eficiência na eletrônica do futuro.
De acordo com o autor principal, Xueshi Gao, estudante de doutorado em física na Ohio State, a equipe espera que os resultados sejam úteis para uma variedade de experimentos e sistemas de materiais em todo o campo.
“O mecanismo de supercondutividade no sistema de grafeno de dupla camada torcida que usamos ainda não é bem compreendido”, disse Gao. “Mas nossos resultados podem esclarecer e ajudar as pessoas a entender melhor o conceito ao aplicá-lo em trabalhos futuros.”
Os pesquisadores planejam novos experimentos
Os cientistas alertam que o trabalho representa um passo inicial para a compreensão de uma ampla gama de interações eletrônicas complexas. Pesquisas futuras irão explorar outros tipos de interação e investigar questões físicas adicionais levantadas pelo estudo.
“Estamos mostrando capacidades que não mostramos antes, muitas pessoas na área estão realmente entusiasmadas com esses resultados”, disse Lau.
Coautores adicionais do estado de Ohio incluem Atmaj Rajesh, Emilio Codecido, Daria Sharifi, Zhenong Zhang, Yuwei Liu e Mark Bockrath. Os colaboradores incluíram Alejandro Jimeno-Pozo, Pierre Pantaleon e Paco Gini da Imdia Nanoscience na Espanha.
A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia e pela National Science Foundation.
