O grafite comum presente na ponta do lápis está se mostrando surpreendentemente multifacetado em escala microscópica. 

Em um estudo publicado hoje na revista Nature , pesquisadores do MIT relatam que uma determinada estrutura microscópica encontrada no grafite natural pode abrigar múltiplos estados supercondutores. A supercondutividade é um estado eletrônico da matéria no qual os elétrons se emparelham e deslizam através de um material com resistência zero. 

Embora existam milhares de materiais conhecidos por serem supercondutores, é raro que um único material apresente múltiplas formas de supercondutividade. 

Os pesquisadores descobriram os múltiplos estados supercondutores em esfoliações atomicamente finas de grafite, conhecidas como grafeno. Especificamente, o grafeno é uma folha de átomos de carbono com a espessura de um único átomo, disposta precisamente em uma rede microscópica. A equipe fez suas descobertas em amostras de grafeno romboédrico, uma estrutura natural dentro da grafite que consiste em uma pilha de quatro ou cinco camadas de grafeno. 

Curiosamente, os pesquisadores descobriram que vários dos novos estados supercondutores no grafeno romboédrico são capazes de persistir na presença de um campo magnético, que normalmente elimina a supercondutividade. 

E, para surpresa de todos, esses estados supercondutores se intensificam ainda mais quando expostos a um campo magnético. 

Em geral, as descobertas revelam uma nova família de estados supercondutores não convencionais em um material aparentemente simples. 

“As pessoas podem presumir que este é um material de carbono simples e sem graça”, diz Long Ju, professor associado de física da cátedra Lawrence C. e Sarah W. Biedenharn no MIT. “Mas podemos controlar esse material ajustando certos 'parâmetros' experimentais, como voltagens elétricas. É assim que um material físico simples pode exibir tantas propriedades supercondutoras diferentes.” 

Ainda não está claro exatamente como cada um dos múltiplos estados supercondutores surge, ou como eles conseguem persistir sob um campo magnético, quando normalmente a supercondutividade deveria desaparecer.

“Do ponto de vista da física fundamental, é muito exótico que um campo magnético não destrua a supercondutividade, e em vez disso a fortaleça”, diz Ju. “Apresentamos muitos resultados experimentais e fornecemos o conhecimento necessário para que as pessoas possam tentar entender o que está acontecendo aqui.” 

Os coautores do estudo do MIT incluem os primeiros autores Junseok Seo e Shenyong Ye, juntamente com Tonghang Han, Zhenghan Wu, Wei Xu, Jixiang Yang, Emily Aitken, Prayoga Liong, Phatthanon Pattanakanvijit, Zach Hadjri e Mingda Li. Os colaboradores externos são o primeiro autor Armel Cotten e membros do grupo de Dominik Zumbuhl na Universidade de Basel, na Suíça, além de outros da Universidade Estadual da Flórida, da Universidade da Flórida, em Gainesville, e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais, no Japão. 

O grafeno e outros materiais bidimensionais ultrafinos podem exibir propriedades eletrônicas, magnéticas, térmicas e físicas inesperadas. E quando duas ou mais folhas de grafeno são empilhadas e torcidas em orientações precisas, a estrutura de "ângulo mágico" pode, repentinamente, abrigar fenômenos estranhos e exóticos. 

O grupo de Ju tem investigado as propriedades excepcionais do grafeno. Mas, em vez de empilhar e torcer camadas artificialmente, eles têm procurado comportamentos interessantes em estruturas de grafeno naturais. Nos últimos anos, descobriram propriedades eletrônicas surpreendentes no grafeno romboédrico. Essa configuração particular consiste em camadas de grafeno empilhadas umas sobre as outras, cada uma ligeiramente deslocada da anterior, semelhante aos degraus de uma escada. 

O grafeno romboédrico pode ser encontrado naturalmente no grafite comum. Mas para encontrá-lo, primeiro é necessário esfoliar um bloco de grafite (geralmente com fita adesiva), e então procurar na amostra esfoliada o padrão característico em forma de escada, que os pesquisadores podem isolar para experimentos posteriores. 

Utilizando essa abordagem, Ju e seus colegas conseguiram isolar e analisar amostras de grafeno romboédrico de quatro e cinco camadas. Até o momento, eles descobriram que a estrutura pode apresentar uma  forma rara, "quiral", de supercondutividade , bem como  carga eletrônica fracionária , entre outros comportamentos. 

Para o novo estudo, a equipe adotou uma abordagem ligeiramente diferente para estudar o grafeno romboédrico. Anteriormente, eles "doparam" eletricamente suas amostras, adicionando elétrons progressivamente à medida que uma corrente elétrica separada passava pelo material. Em seguida, mediam a voltagem, ou essencialmente a força que impulsiona a corrente através do material, e procuravam por momentos em que a voltagem caía para zero, indicando que a corrente estava passando sem resistência.

Dessa forma, a equipe observou supercondutividade ao adicionar elétrons ao grafeno romboédrico. Então, eles se perguntaram: o que aconteceria se fizessem o oposto e removessem elétrons? 

Em seu novo estudo, a equipe buscou indícios de supercondutividade enquanto removia cuidadosamente elétrons do grafeno romboédrico, reduzindo progressivamente a densidade eletrônica do material, ao mesmo tempo em que aplicava uma corrente elétrica externa para medir a resistência elétrica. Nesses experimentos, eles também aplicaram um campo magnético externo em direções paralelas e perpendiculares ao plano do grafeno. Os experimentos foram realizados em colaboração com o grupo de Zumbuhl, na Suíça, que forneceu acesso a uma estrutura laboratorial na qual amostras de grafeno puderam ser expostas a altos campos magnéticos e temperaturas ultrabaixas. 

Nesses experimentos, os pesquisadores descobriram que, em determinadas densidades de elétrons, quatro estados supercondutores diferentes emergiam. Além disso, três desses estados persistiam na presença de um campo magnético relativamente alto. 

Normalmente, os ímãs destroem a supercondutividade ao romper a ligação entre os elétrons emparelhados que deslizam pelo material. 

Mas, nos experimentos de Ju, a equipe observou três estados supercondutores que persistiram em um campo magnético de até cerca de 9 tesla, aproximadamente 180.000 vezes mais forte que o campo magnético da Terra. Nesses casos, o campo magnético aplicado estava em uma orientação paralela ao plano do material. Quando mudaram a orientação do campo magnético para perpendicular, descobriram outra surpresa: em uma determinada densidade eletrônica, a supercondutividade não apenas persistiu, como aumentou. O material foi capaz de continuar supercondutor em temperaturas mais altas do que as previstas. 

Todo material supercondutor possui uma temperatura crítica abaixo da qual os elétrons podem conduzir sem resistência e acima da qual a supercondutividade não persiste. Mas a equipe descobriu que, a uma determinada densidade eletrônica e na presença de um campo magnético perpendicular, a supercondutividade no grafeno romboédrico era capaz de sobreviver além da temperatura crítica do material, que corresponde a um campo magnético nulo. 

“Na verdade, a supercondutividade é aprimorada, ou seja, a temperatura de transição passa de 55 milikelvin para provavelmente 90 milikelvin”, explica Ju. “Ao mesmo tempo, o material pode suportar mais 50 ou 60% de corrente antes que a supercondutividade seja destruída. E isso é muito incomum.”

Os pesquisadores não têm certeza de qual comportamento microscópico possibilita múltiplos estados supercondutores não convencionais, embora proponham uma hipótese. A supercondutividade convencional surge quando os elétrons se emparelham. Esses "pares de Cooper" consistem em elétrons com spins opostos, e acredita-se que um campo magnético possa separar os spins de suas configurações opostas e, como resultado, quebrar a supercondutividade. 

Em vez disso, a equipe propõe que talvez no grafeno romboédrico, e em certas densidades eletrônicas, os elétrons possam se emparelhar com spins alinhados. Qualquer campo magnético ainda atrairia os spins, mas na mesma direção, preservando seu alinhamento e sua supercondutividade. 

Os pesquisadores reconhecem que a ideia precisa de muito mais investigação, tanto experimental quanto teórica. Por ora, eles veem os resultados como uma demonstração de quais fenômenos novos e exóticos podem surgir em um material aparentemente simples, com as medições e os controles adequados. 

“Podemos controlar o material químico e estrutural mais simples — o carbono cristalino — como parte da diversão”, diz o autor principal, Junseok Seo, aluno de pós-graduação no grupo de Ju. “Não estamos apenas lidando com o que a natureza nos dá, mas aplicando controles adicionais para transformá-lo em algo que a natureza não nos dá, mas que pode existir no mesmo material.”

Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Escritório de Pesquisa Naval dos EUA. A fabricação dos dispositivos foi realizada, em parte, no MIT.nano.