O fenômeno “único” foi observado na grafite comum.
Ímãs e supercondutores andam juntos como óleo e água – ou mais os cientistas pensaram. Mas uma nova descoberta dos físicos do MIT é desafiar essa suposição centenária.
Em um Artigo aparecendo hoje no diário Naturezaos físicos relatam que descobriram um “supercondutor quiral” – um materials que conduz eletricidade sem resistência e também, paradoxalmente, é intrinsecamente magnético. Além disso, eles observaram essa supercondutividade exótica em um materials surpreendentemente comum: grafite, o materials primário no chumbo de lápis.
A grafite é feita a partir de muitas camadas de grafeno-atomicamente finas, folhas de átomos de carbono em forma de treliça-que são empilhadas e podem facilmente flocos quando a pressão é aplicada, como ao pressionar para escrever em um pedaço de papel. Um único floco de grafite pode conter vários milhões de folhas de grafeno, que normalmente são empilhadas de modo que todas as outras camadas se alinhem. Mas de vez em quando, a grafite contém pequenos bolsos onde o grafeno é empilhado em um padrão diferente, semelhante a uma escada de camadas de deslocamento.
A equipe do MIT descobriu que, quando quatro ou cinco folhas de grafeno são empilhadas nesta configuração “romboédrica”, a estrutura resultante pode exibir propriedades eletrônicas excepcionais que não são vistas em grafite como um todo.
Em seu novo estudo, os físicos isolaram os flocos microscópicos do grafeno romboédrico da grafite e submeteram os flocos a uma bateria de testes elétricos. Eles descobriram que, quando os flocos são resfriados a 300 milikelvins (cerca de -273 graus Celsius), o materials se transforma em um supercondutor, o que significa que qualquer corrente elétrica que passa pelo materials pode fluir sem resistência.
Eles também descobriram que, quando varreram um campo magnético externo para cima e para baixo, os flocos poderiam ser alternados entre dois estados supercondutores diferentes, assim como um ímã. Isso sugere que o supercondutor possui algum magnetismo intrínseco interno. Esse comportamento de comutação está ausente em outros supercondutores.
“A tradição geral é que os supercondutores não gostam de campos magnéticos”, diz Ju longoProfessor Assistente de Física no MIT. “Mas acreditamos que esta é a primeira observação de um supercondutor que se comporta como um ímã com evidências tão diretas e simples. E isso é uma coisa bastante bizarra, porque é contra a impressão geral das pessoas na supercondutividade e magnetismo”.
Ju é autor sênior do estudarque inclui os co-autores do MIT Tonghang Han, Zhengguang Lu, Zach Hadjri, Lihan Shi, Zhenghan Wu, Wei Xu, Yuxuan Yao, Jixiang Yang, Junnseok Search engine optimisation, Shenyong Ye, Muyang Zhou e e Liang Fujuntamente com colaboradores da Universidade Estadual da Flórida, da Universidade de Basileia na Suíça e do Instituto Nacional de Ciência dos Materiais no Japão.
Torção de grafeno
Nos materiais condutores cotidianos, os elétrons fluem em uma disputa caótica, zunindo um pelo outro e pingando na treliça atômica do materials. Cada vez que um elétron se afasta de um átomo, ele encontrou alguma resistência e perde alguma energia como resultado, normalmente na forma de calor. Por outro lado, quando certos materiais são resfriados a temperaturas ultracold, eles podem se tornar supercondutores, o que significa que o materials pode permitir que os elétrons emparelhem, no que os físicos terminam “pares de cooper”. Em vez de se espalhar, esses pares de elétrons deslizam através de um materials sem resistência. Com um supercondutor, então, nenhuma energia é perdida na tradução.
Como a supercondutividade foi observada pela primeira vez em 1911, os físicos mostraram muitas vezes que a resistência elétrica zero é uma marca registrada de um supercondutor. Outra propriedade definidora foi observada pela primeira vez em 1933, quando o físico Walther Meissner descobriu que um supercondutor expulsará um campo magnético externo. Esse “efeito Meissner” é devido em parte aos pares de elétrons de um supercondutor, que agem coletivamente para afastar qualquer campo magnético.
Os físicos assumiram que todos os materiais supercondutores deveriam exibir resistência elétrica zero e uma repulsão magnética pure. De fato, essas duas propriedades são o que poderia permitir a Maglev, ou trens de “levitação magnética”, nos quais um trilho supercondutor repele e, portanto, levita um carro magnetizado.
Ju e seus colegas não tinham motivos para questionar essa suposição enquanto realizavam seus experimentos no MIT. Nos últimos anos, a equipe vem explorando as propriedades elétricas do grafeno Rhombohedral pentayer. Os pesquisadores observaram propriedades surpreendentes na estrutura de grafeno de cinco camadas e escadas, mais recentemente que permite elétrons para se dividir em frações de si mesmas. Esse fenômeno ocorre quando a estrutura da pentayer é colocada no topo de uma folha de nitreto de boro hexagonal (um materials semelhante ao grafeno) e ligeiramente deslocado por um ângulo específico ou torção.
Curiosos sobre como as frações de elétrons podem mudar com as mudanças nas condições, os pesquisadores seguiram sua descoberta inicial com testes semelhantes, desta vez desalinhando o grafeno e as estruturas de nitreto de boro hexagonal. Para sua surpresa, eles descobriram que, quando desalinharam os dois materiais e enviaram uma corrente elétrica através, a temperaturas inferiores a 300 milikelvins, mediram a resistência zero. Parecia que o fenômeno das frações de elétrons desapareceu, e o que surgiu foi a supercondutividade.
Os pesquisadores deram um passo adiante para ver como esse novo estado supercondutor responderia a um campo magnético externo. Eles aplicaram um ímã ao materials, juntamente com uma tensão, e mediram a corrente elétrica saindo do materials. Enquanto eles discaram o campo magnético de negativo para positivo (semelhante a uma polaridade norte e sul) e de volta, eles observaram que o materials mantinha seu estado de resistência zero supercondutora, exceto em dois casos, uma vez em qualquer polaridade magnética. Nesses casos, a resistência aumentou brevemente, antes de voltar a zero, e retornar a um estado supercondutor.
“Se esse fosse um supercondutor convencional, ele permaneceria com resistência zero, até que o campo magnético atinja um ponto crítico, onde a supercondutividade seria morta”, diz Zach Hadjri, um estudante do primeiro ano do grupo. “Em vez disso, esse materials parece alternar entre dois estados supercondutores, como um ímã que começa a apontar para cima e pode girar para baixo quando você aplica um campo magnético. Portanto, parece que este é um supercondutor que também age como um ímã. O que não faz sentido!”
“Um de cada tipo”
Por mais contra -intuitiva que a descoberta possa parecer, a equipe observou o mesmo fenômeno em seis amostras semelhantes. Eles suspeitam que a configuração exclusiva do grafeno romboédrico seja a chave. O materials tem um arranjo muito simples de átomos de carbono. Quando resfriado para temperaturas ultracold, a flutuação térmica é minimizada, permitindo que qualquer elétrons flua através do materials desacelere, se sinta e interaja.
Tais interações quânticas podem levar os elétrons a se unir e supercondute. Essas interações também podem incentivar os elétrons a coordenarem. Ou seja, os elétrons podem ocupar coletivamente um dos dois estados do momento oposto, ou “vales”. Quando todos os elétrons estão em um vale, eles efetivamente giram em uma direção, versus a direção oposta. Nos supercondutores convencionais, os elétrons podem ocupar o vale, e qualquer par de elétrons é normalmente feito de elétrons de vales opostos que se cancelam. O par em geral, então, tem um momento zero e não gira.
Na estrutura materials da equipe, no entanto, eles suspeitam que todos os elétrons interagem de modo que compartilhem o mesmo vale, ou estado de momento. Quando os elétrons emparelham-se, o par de supercondutor em geral tem um momento “diferente de zero” e girando, que, juntamente com muitos outros pares, podem chegar a um magnetismo interno e supercondutor.
“Você pode pensar nos dois elétrons em um par girando no sentido horário, ou no sentido anti-horário, que corresponde a um ímã apontando para cima ou para baixo”, explica Tonghang Han, um aluno do quinto ano do grupo. “Então, achamos que esta é a primeira observação de um supercondutor que se comporta como um ímã devido ao movimento orbital dos elétrons, conhecido como supercondutor quiral. É único. É também um candidato a um supercondutor topológico que pode permitir a computação robusta.”
“Tudo o que descobrimos neste materials está completamente fora do nada”, diz Zhengguang Lu, ex -pós -doutorado no grupo e agora professor assistente da Universidade Estadual da Flórida. “Mas como esse é um sistema simples, achamos que temos uma boa probability de entender o que está acontecendo e pode demonstrar alguns princípios de física muito profundos e profundos”.
“É realmente notável que um supercondutor quiral exótico emerge de ingredientes tão simples”, acrescenta Liang Fu, professor de física do MIT. “A supercondutividade no grafeno rombodedral certamente terá muito a oferecer.”
A parte da pesquisa realizada no MIT foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA e por uma bolsa Mathworks.
