Novos supercondutores exóticos encantam e confundem

Os teóricos debateram novas maneiras de emparelhar elétrons.

Os supercondutores de alta temperatura pareciam ter átomos dispostos de uma forma que retardava os elétrons. E quando os elétrons têm a oportunidade de se misturar vagarosamente, eles geram coletivamente um campo elétrico ornamentado que pode levá-los a fazer coisas novas, como formar pares em vez de se repelir. Os físicos agora suspeitam que nos cupratos, especificamente, os elétrons saltar entre átomos de uma forma explicit que favorece o emparelhamento. Mas outros supercondutores “não convencionais” ainda são bastante misteriosos.

Então, em 2018, um novo supercondutor abriu mais os olhos dos físicos.

Pablo Jarillo-Herrerop. duas camadas poderiam superconduzir.

Os pesquisadores já estavam experimentando materiais 2D e encontrando diversos comportamentos. Ao aplicar campos elétricos, eles poderiam adicionar elétrons à folha ou fazer com que os elétrons parecessem quase como se a grade atômica estivesse se contraindo. Alterar essas configurações em um único dispositivo 2D poderia reproduzir o comportamento de milhares a milhões de materiais potenciais. Entre essas inúmeras possibilidades, Jarillo-Herrero mostrou, estava um novo supercondutor: “ângulo mágico” grafeno.

Então, alguns anos depois, um grupo na Califórnia removeu o ângulo mágico, descobrindo que dispositivos de grafeno de três camadas e sem torção também poderia superconduzir.

Os pesquisadores ainda estão discutindo por que os elétrons ficam juntos nesses casos. Os fônons se ajustam aos dados de algumas maneiras, mas algo novo também parece responsável.

Mas o que realmente emocionou os físicos foi a promessa de uma nova maneira de investigar a supercondutividade em geral. Os dispositivos 2D personalizáveis ​​os libertaram do trabalho penoso de projetar, cultivar e testar novos cristais, um por um. Os pesquisadores agora seriam capazes de recriar rapidamente os efeitos de muitas redes atômicas diferentes em um único dispositivo e descobrir exatamente do que os elétrons são capazes.

A estratégia de investigação está agora a dar frutos. Este ano, os físicos encontraram os primeiros casos de supercondutividade em materiais 2D além do grafeno, juntamente com uma forma completamente nova de supercondutividade em um novo sistema de grafeno. As descobertas estabeleceram que os primeiros supercondutores de grafeno marcam apenas os arredores de uma nova selva selvagem.

Uma dica justificada

Em 2020, o físico Cory Dean e sua equipe na Universidade de Columbia tentaram empilhar folhas de um cristal 2D diferente – este, um arranjo em favo de mel de dois tipos de átomos, chamado dichalcogeneto de steel de transição (TMD). Quando torceram as folhas em 5 graus, o resistência mergulhou em direção a zero mas não ficou lá. Foi uma sugestão inconclusiva de supercondutividade.

A natureza provisória da detecção não parou Liang Fu do MIT e Constantin Schrade da Louisiana State College de tentando explicar isso. Eles suspeitavam que os fônons não eram a resposta. Os materiais torcidos são poderosos porque a torção muda a experiência dos elétrons, imbuindo o materials com um padrão caleidoscópico “moiré”. O moiré apresenta grandes células hexagonais que agem como átomos artificiais, hospedando elétrons. Neste novo ambiente, os eletrões movem-se lentamente o suficiente para que as suas interações elétricas coletivas orientem o seu comportamento.

Mas como os elétrons estavam conspirando para formar pares? O grupo Columbia canalizou elétrons para o moiré. Eles observaram que quando havia um elétron para cada uma das células grandes no materials moiré, esses elétrons assumiam um arranjo “antiferromagnético”; seus campos magnéticos intrínsecos tendiam a alternar entre apontar para cima e para baixo. Adicionar elétrons extras ao moiré fez com que a resistência caísse para zero – pares de Cooper se formaram. Fu e Schrade argumentaram que a mesma ação elétron sobre elétron tornava possíveis tanto o estado antiferromagnético quanto o estado supercondutor. Com um elétron por célula, cada elétron pode ter uma localização e orientação magnética preferidas. Mas quando mais elétrons se acumulam, o arranjo magnético torna-se instável e toda a população começa a fluir livremente.

As revistas científicas inicialmente rejeitaram o artigo de Fu e Schrade descrevendo essas ideias porque não havia nenhuma evidência concreta de que as DTMs pudessem ser supercondutoras. Agora existe. O grupo Columbia passou os últimos quatro anos melhorando sua capacidade de medir a resistência elétrica em baixas temperaturas e, no início deste ano, obteve um avanço. Eles montaram outro dispositivo de duas folhas com rotação de 5 graus, resfriaram-no e assisti superconduto — uma observação a ser publicada em breve em Natureza. “Eis que vemos que o estado que pensávamos existir está aparecendo exatamente no lugar certo”, disse Dean. “É um pouco de vingança.”

A teoria de Fu e Schrade – reforçada pela confirmação da Columbia – foi agora publicada, mas não está provada. Uma forma de testar isso é verificar se os pares de Cooper podem girar, como prevê a teoria. Essa é uma característica incomum, já que os elétrons emparelhados por fônons não orbitam entre si.

Adicionar elétrons a um steel antiferromagnético não é a única maneira de aumentar a supercondutividade em TMDs. Pouco antes da descoberta de Columbia, outro grupo encontrou uma espécie ainda mais peculiar de supercondutividade no mesmo materials.

Jie Shan e Kin Fai Makum casal de poder acadêmico que dirigem um laboratório na Universidade Cornell, vêm pesquisando supercondutividade em TMDs desde a descoberta de grande sucesso do grafeno torcido de Jarillo-Herrero em 2018. Eles passaram anos misturando e combinando cinco tipos de cristais TMD, experimentando diferentes ângulos de torção e temperaturas e aplicando vários forças de campo elétrico para o materials – procurando um enorme palheiro por um dispositivo supercondutor.

Quando a agulha finalmente apareceu, exibiu uma espécie de supercondutividade que ninguém previu. A equipe da Columbia começou com um steel antiferromagnético e adicionou elétrons. O grupo Cornell, porém, começou com um isolante e não acrescentou nada. Seu padrão moiré – que resultou de uma torção mais suave de 3,5 graus – permitiu que os elétrons desacelerassem tanto e interagissem tão fortemente que todos ficaram presos no lugar precisamente com um elétron por célula.