Materiais supercondutores são semelhantes à faixa de carona em uma rodovia interestadual congestionada. Como passageiros que andam juntos, elétrons que se emparelham podem ignorar o tráfego regular, movendo-se pelo material com atrito zero.

Mas assim como acontece com caronas, a facilidade com que os pares de elétrons podem fluir depende de uma série de condições, incluindo a densidade dos pares que estão se movendo através do material. Essa "rigidez superfluida", ou a facilidade com que uma corrente de pares de elétrons pode fluir, é uma medida-chave da supercondutividade de um material.

Físicos do MIT e da Universidade de Harvard mediram diretamente a rigidez superfluida pela primeira vez em grafeno de "ângulo mágico" — materiais feitos de duas ou mais folhas atomicamente finas de grafeno torcidas uma em relação à outra no ângulo certo para permitir uma série de propriedades excepcionais, incluindo supercondutividade não convencional.

Essa supercondutividade torna o grafeno de ângulo mágico um bloco de construção promissor para futuros dispositivos de computação quântica, mas exatamente como o material superconduz não é bem compreendido. Conhecer a rigidez superfluida do material ajudará os cientistas a identificar o mecanismo de supercondutividade no grafeno de ângulo mágico.

As medições da equipe sugerem que a supercondutividade do grafeno de ângulo mágico é governada principalmente pela geometria quântica, que se refere à “forma” conceitual dos estados quânticos que podem existir em um determinado material.

Os resultados, que são relatados hoje no periódico Nature , representam a primeira vez que cientistas mediram diretamente a rigidez superfluida em um material bidimensional. Para isso, a equipe desenvolveu um novo método experimental que agora pode ser usado para fazer medições semelhantes de outros materiais supercondutores bidimensionais.

“Há uma família inteira de supercondutores 2D esperando para serem investigados, e estamos apenas arranhando a superfície”, diz o coautor principal do estudo, Joel Wang, cientista pesquisador do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE) do MIT.

Os coautores do estudo do campus principal do MIT e do Laboratório Lincoln do MIT incluem a coautora principal e ex-pós-doutoranda do RLE, Miuko Tanaka, bem como Thao Dinh, Daniel Rodan-Legrain, Sameia Zaman, Max Hays, Bharath Kannan, Aziza Almanakly, David Kim, Bethany Niedzielski, Kyle Serniak, Mollie Schwartz, Jeffrey Grover, Terry Orlando, Simon Gustavsson, Pablo Jarillo-Herrero e William D. Oliver, juntamente com Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.

Desde seu primeiro isolamento e caracterização em 2004, o grafeno provou ser uma substância maravilhosa. O material é efetivamente uma única folha de grafite, da espessura de um átomo, consistindo de uma precisa rede de arame de átomos de carbono. Essa configuração simples pode exibir uma série de qualidades superlativas em termos de resistência, durabilidade e capacidade do grafeno de conduzir eletricidade e calor.

Em 2018, Jarillo-Herrero e colegas descobriram que quando duas folhas de grafeno são empilhadas uma sobre a outra, em um ângulo "mágico" preciso, a estrutura torcida — agora conhecida como grafeno bicamada torcida de ângulo mágico, ou MATBG — exibe propriedades inteiramente novas, incluindo supercondutividade, na qual os elétrons se pareiam, em vez de se repelirem como fazem em materiais cotidianos. Esses chamados pares de Cooper podem formar um superfluido, com potencial para superconduzir, o que significa que eles podem se mover através de um material como uma corrente sem esforço e sem atrito.

Hoje, os cientistas podem medir a rigidez superfluida em materiais supercondutores por meio de métodos que geralmente envolvem colocar um material em um ressonador de micro-ondas — um dispositivo que tem uma frequência de ressonância característica na qual um sinal elétrico oscilará, em frequências de micro-ondas, muito parecido com uma corda de violino vibrando. Se um material supercondutor for colocado dentro de um ressonador de micro-ondas, ele pode alterar a frequência de ressonância do dispositivo e, em particular, sua "indutância cinética", em uma quantidade que os cientistas podem relacionar diretamente à rigidez superfluida do material.

No entanto, até o momento, tais abordagens só foram compatíveis com amostras de materiais grandes e espessos. A equipe do MIT percebeu que medir a rigidez superfluida em materiais atomicamente finos como MATBG exigiria uma nova abordagem.

“Comparado ao MATBG, o supercondutor típico que é sondado usando ressonadores é de 10 a 100 vezes mais espesso e maior em área”, diz Wang. “Não tínhamos certeza se um material tão pequeno geraria qualquer indutância mensurável.”

O desafio de medir a rigidez do superfluido em MATBG tem a ver com a fixação do material extremamente delicado à superfície do ressonador de micro-ondas da forma mais uniforme possível.

“Para fazer isso funcionar, você quer fazer um contato idealmente sem perdas — ou seja, supercondutor — entre os dois materiais”, explica Wang. “Caso contrário, o sinal de micro-ondas que você enviar será degradado ou até mesmo ricocheteará em vez de entrar no seu material alvo.”

O grupo de Will Oliver no MIT vem desenvolvendo técnicas para conectar precisamente materiais extremamente delicados e bidimensionais, com o objetivo de construir novos tipos de bits quânticos para futuros dispositivos de computação quântica. Para seu novo estudo, Tanaka, Wang e seus colegas aplicaram essas técnicas para conectar perfeitamente uma pequena amostra de MATBG à extremidade de um ressonador de micro-ondas de alumínio. Para fazer isso, o grupo primeiro usou métodos convencionais para montar MATBG, então intercalou a estrutura entre duas camadas isolantes de nitreto de boro hexagonal, para ajudar a manter a estrutura atômica e as propriedades de MATBG.

“Alumínio é um material que usamos regularmente em nossa pesquisa de computação quântica supercondutora, por exemplo, ressonadores de alumínio para ler bits quânticos de alumínio (qubits)”, explica Oliver. “Então, pensamos, por que não fazer a maior parte do ressonador de alumínio, o que é relativamente simples para nós, e então adicionar um pouco de MATBG ao final? Acabou sendo uma boa ideia.”

“Para contatar o MATBG, nós o gravamos bem nitidamente, como se estivéssemos cortando camadas de um bolo com uma faca bem afiada”, diz Wang. “Nós expomos um lado do MATBG recém-cortado, no qual então depositamos alumínio — o mesmo material do ressonador — para fazer um bom contato e formar um fio de alumínio.”

Os pesquisadores então conectaram os fios de alumínio da estrutura MATBG ao ressonador de micro-ondas de alumínio maior. Eles enviaram um sinal de micro-ondas através do ressonador e mediram a mudança resultante em sua frequência de ressonância, da qual puderam inferir a indutância cinética do MATBG.

Quando eles converteram a indutância medida para um valor de rigidez superfluida, no entanto, os pesquisadores descobriram que ela era muito maior do que as teorias convencionais de supercondutividade teriam previsto. Eles tiveram um palpite de que o excedente tinha a ver com a geometria quântica do MATBG — a maneira como os estados quânticos dos elétrons se correlacionam entre si.

“ Vimos um aumento de dez vezes na rigidez do superfluido em comparação às expectativas convencionais, com uma dependência de temperatura consistente com o que a teoria da geometria quântica prevê”, diz Tanaka. “Esta foi uma 'prova irrefutável' que apontou para o papel da geometria quântica no governo da rigidez do superfluido neste material bidimensional.”

“Este trabalho representa um ótimo exemplo de como se pode usar tecnologia quântica sofisticada atualmente usada em circuitos quânticos para investigar sistemas de matéria condensada consistindo de partículas fortemente interativas”, acrescenta Jarillo-Herrero.

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciências, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA e pelo Subsecretário de Defesa para Pesquisa e Engenharia dos EUA.

Um estudo complementar sobre grafeno tricamada trançado de ângulo mágico (MATTG), conduzido por uma colaboração entre o grupo de Philip Kim na Universidade de Harvard e o grupo de Jarillo-Herrero no MIT, aparece na mesma edição da  Nature .