Supercondutores , materiais que podem transmitir eletricidade sem resistência, fascinam os físicos há mais de um século. Descobertos pela primeira vez em 1911 pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes , que observou o fenômeno em mercúrio sólido resfriado com hélio líquido a cerca de menos 450 F (apenas alguns graus acima do zero absoluto), os supercondutores têm sido procurados para revolucionar a transmissão de energia sem perdas, trens levitantes e até mesmo a computação quântica.

Agora, usando tecnologia de micro-ondas especialmente desenvolvida, uma equipe de pesquisadores de Harvard, Massachusetts Institute of Technology e Raytheon-BBN Technologies revelou comportamento supercondutor incomum em pilhas torcidas de grafeno, uma única camada atômica de carbono. A pesquisa deles foi publicada na Nature.

O grafeno foi descoberto em 2004 por Andre Geim e Konstantin Novoselov, rendendo a eles o Prêmio Nobel de física alguns anos depois. Em 2018, uma equipe do MIT liderada pelo Professor Pablo Jarillo-Herrero , um dos autores do novo artigo, descobriu supercondutividade em uma pilha de grafeno de bicamada torcida.

“Este trabalho seminal mostrou que uma pequena torção entre duas camadas de grafeno pode criar propriedades drasticamente diferentes do que apenas uma única camada e, desde então, os cientistas também descobriram que adicionar mais camadas de grafeno com uma pequena torção pode levar a um comportamento supercondutor semelhante”, disse Zeyu Hao, um aluno de doutorado na Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences trabalhando no laboratório do Kim Group em Harvard e um dos coautores principais do artigo. A descoberta mais impressionante dos pesquisadores é que o comportamento supercondutor de elétrons em pilhas torcidas de grafeno difere de supercondutores convencionais, como o alumínio. Essa diferença “exige estudos cuidadosos de como esses elétrons se movem em sincronia — essa 'dança quântica' — em temperaturas muito baixas”, disse Hao.

Entender por que os elétrons se emparelham em vez de se repelirem, como eles naturalmente fazem devido à sua carga negativa, é a chave para descobrir como a supercondutividade surge. "Uma vez que os elétrons se emparelham fortemente o suficiente, eles se condensam em um superfluido que flui sem perder energia", disse Abhishek Banerjee, coautor principal do artigo e pesquisador de pós-doutorado no grupo Kim. "No grafeno torcido, os elétrons desaceleram, e a interação entre eles de alguma forma se mistura com a mecânica quântica de uma forma bizarra para criar uma força de 'cola' que os une em pares. Ainda não entendemos completamente como esse emparelhamento funciona nesta nova classe de supercondutores, e é por isso que estamos desenvolvendo novas maneiras de sondá-lo."

Uma dessas abordagens é medir a vibração ressonante dos elétrons supercondutores — um "superfluido" de elétrons pareados — iluminando-os com micro-ondas, o que é um pouco como "ouvir a melodia" do superfluido, disse Mary Kreidel, coautora principal do artigo que trabalhou com o professor de Física Aplicada e Física Mallinckrodt Robert Westervelt em Harvard e Kin Chung Fong na Raytheon BBN Technology.

“É semelhante a tocar uma harpa de vidro”, disse Hao. “Em vez de soprar garrafas cheias de quantidades variadas de água para produzir notas diferentes, usamos um circuito de micro-ondas como a 'garrafa', e a 'água' é o superfluido de elétrons pareados. Quando a quantidade de superfluido muda, a frequência ressonante muda de acordo. Essencialmente, fizemos nossas garrafas de vidro usando esse circuito ressonante de micro-ondas, e a água é basicamente os elétrons pareados para condensar em um superfluido, onde os elétrons podem fluir sem perder energia.” 

“Quando o peso e o volume do superfluido — essencialmente a densidade dos elétrons pareados — mudam, o tom musical também muda”, disse Kreidel.

A partir dessas mudanças de frequência, a equipe observou pistas inesperadas sobre como esses elétrons podem estar se emparelhando. "Aprendemos que a força adesiva entre elétrons pode ser forte em algumas direções e desaparecer em outras", disse o aluno de doutorado Patrick Ledwith, que trabalha em Harvard com o professor de física George Vasmer Leverett Ashvin Vishwanath . Essa direcionalidade se assemelha ao que é visto em supercondutores de alta temperatura feitos de materiais de óxido — ainda um quebra-cabeça para os cientistas, mesmo após 40 anos de estudo. "Talvez nossas descobertas com grafeno torcido possam lançar luz sobre como os elétrons realizam essa dança quântica em outros materiais supercondutores bidimensionais", disse o professor de física e física aplicada Philip Kim , o cientista líder neste trabalho.

Embora as tecnologias de grafeno ainda não possam ser produzidas em massa, os pesquisadores veem um potencial de amplo alcance. Kreidel, agora pós-doutoranda no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, aponta que tais materiais podem ajudar a construir detectores ultrassensíveis e energeticamente eficientes para exploração espacial. “No quase vácuo do espaço, há muito pouca luz”, disse ela. “Queremos detectores pequenos e leves que usem o mínimo de energia, mas tenham resolução extremamente alta. O grafeno torcido pode ser um candidato promissor.”