Quando duas folhas de grafeno são empilhadas uma sobre a outra no a¢ngulo certo, a estrutura em camadas se transforma em um supercondutor não convencional, permitindo que correntes elanãtricas passem sem resistência ou desperda­cio de energia.

Essa transformação de "a¢ngulo ma¡gico" no grafeno de duas camadas foi observada pela primeira vez em 2018 no grupo de Pablo Jarillo-Herrero, o professor Cecil e Ida Green de Fa­sica do MIT. Desde então, os cientistas tem pesquisado outros materiais que possam ser transformados de forma semelhante em supercondutividade, no campo emergente da "twistra´nica". Para a maior parte, nenhum outro material torcido exibiu supercondutividade além do grafeno de dupla camada torcida original, atéagora.

Em um artigo publicado na Nature , Jarillo-Herrero e seu grupo relatam a observação da supercondutividade em um sandua­che de três folhas de grafeno, cuja camada do meio étorcida em um novo a¢ngulo em relação a s camadas externas. Esta nova configuração de camada tripla exibe supercondutividade que émais robusta do que sua contraparte de camada dupla.

Os pesquisadores também podem ajustar a supercondutividade da estrutura aplicando e variando a intensidade de um campo elanãtrico externo. Ajustando a estrutura de três camadas, os pesquisadores foram capazes de produzir supercondutividade ultraforte, um tipo exa³tico de comportamento elanãtrico que raramente foi visto em qualquer outro material.

"Nãoestava claro se o grafeno de duas camadas de a¢ngulo ma¡gico era uma coisa excepcional, mas agora sabemos que não estãosozinho; ele tem um primo no caso de três camadas", diz Jarillo-Herrero. "A descoberta deste supercondutor hipercondutor estende o campo twistra´nica em direções inteiramente novas, com aplicações potenciais em informações qua¢nticas e tecnologias de detecção."

Seus coautores são o autor principal Jeong Min Park e Yuan Cao no MIT, e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japa£o.

Pouco depois de Jarillo-Herrero e seus colegas descobrirem que a supercondutividade pode ser gerada no grafeno de duas camadas torcidas, os teóricos propaµem que o mesmo fena´meno pode ser visto em três ou mais camadas de grafeno.

Uma folha de grafeno éuma camada de grafite com a espessura de um a¡tomo, feita inteiramente de a¡tomos de carbono dispostos em uma estrutura de favo de mel, como o arame de galinheiro mais fino e resistente. Os teóricos propuseram que se três folhas de grafeno fossem empilhadas como um sandua­che, com a camada do meio girada em 1,56 graus em relação a s camadas externas, a configuração torcida criaria uma espanãcie de simetria que encorajaria os elanãtrons no material a se emparelhar e fluxo sem resistência - a marca registrada da supercondutividade.

“Na³s pensamos, por que não, vamos tentar e testar essa ideia”, diz Jarillo-Herrero.

Park e Cao projetaram estruturas de grafeno de três camadas, cortando cuidadosamente uma única folha de grafeno em três seções e empilhando cada seção uma sobre a outra nos a¢ngulos precisos previstos pelos teóricos.

Eles fizeram várias estruturas de três camadas, cada uma medindo alguns micra´metros de dia¢metro (cerca de 1/100 do dia¢metro de um fio de cabelo humano) e três a¡tomos de altura.

“Nossa estrutura éum nanosandwich”, diz Jarillo-Herrero.

A equipe então anexou eletrodos a cada extremidade das estruturas e passou uma corrente elanãtrica enquanto media a quantidade de energia perdida ou dissipada no material.

"Nãovimos energia dissipada, o que significa que era um supercondutor", diz Jarillo-Herrero. "Temos que dar cranãdito aos teóricos - eles acertaram o a¢ngulo."

Ele acrescenta que a causa exata da supercondutividade da estrutura - seja devido a  sua simetria, como os teóricos propuseram, ou não - ainda estãopara ser vista e éalgo que os pesquisadores planejam testar em experimentos futuros.

“No momento, temos uma correlação, não uma causalidade”, diz ele. "Agora, pelo menos, temos um caminho para possivelmente explorar uma grande familia de novos supercondutores com base nesta ideia de simetria."

Ao explorar sua nova estrutura de três camadas, a equipe descobriu que podia controlar sua supercondutividade de duas maneiras. Com o projeto anterior de bicamada, os pesquisadores podiam ajustar sua supercondutividade aplicando uma tensão de porta externa para alterar o número de elanãtrons que fluem atravanãs do material. Amedida que aumentavam e diminua­am a tensão do gate, eles mediram a temperatura cra­tica na qual o material parou de dissipar energia e se tornou supercondutor. Desta forma, a equipe foi capaz de sintonizar a supercondutividade da bicamada de grafeno ligada e desligada, semelhante a um transistor.

A equipe usou o mesmo manãtodo para ajustar o grafeno de três camadas. Eles também descobriram uma segunda maneira de controlar a supercondutividade do material que não era possí­vel no grafeno de camada dupla e outras estruturas torcidas. Usando um eletrodo adicional, os pesquisadores puderam aplicar um campo elanãtrico para mudar a distribuição de elanãtrons entre as três camadas da estrutura, sem alterar a densidade eletra´nica geral da estrutura.

"Esses dois botaµes independentes agora nos fornecem muitas informações sobre as condições em que a supercondutividade aparece, o que pode fornecer uma visão da física fundamental para a formação de um estado supercondutor incomum", disse Park.

Usando os dois manãtodos para ajustar a estrutura de três camadas, a equipe observou a supercondutividade sob uma variedade de condições, incluindo uma temperatura cra­tica relativamente alta de 3 kelvins, mesmo quando o material tinha uma baixa densidade de elanãtrons. Em comparação, o aluma­nio, que estãosendo explorado como supercondutor para computação qua¢ntica, tem uma densidade muito maior de elanãtrons e são se torna supercondutor a cerca de 1 kelvin.

"Descobrimos que o grafeno de três camadas de a¢ngulo ma¡gico pode ser o supercondutor acoplado mais forte, o que significa que superconduta a uma temperatura relativamente alta, considerando a quantidade de elanãtrons que pode ter", diz Jarillo-Herrero. "Isso da¡ o maior retorno para seu investimento."

Os pesquisadores planejam fabricar estruturas de grafeno retorcido com mais de três camadas para ver se essas configurações, com densidades de elanãtrons mais altas, podem exibir supercondutividade em temperaturas mais altas, mesmo se aproximando da temperatura ambiente.

"Se pudanãssemos fazer essas estruturas como estãoagora, em escala industrial, podera­amos fazer bits supercondutores para computação qua¢ntica ou eletra´nica supercondutora criogaªnica, fotodetectores, etc. Nãodescobrimos como fazer bilhaµes deles de uma vez, "Jarillo-Herrrero diz.

"Nosso objetivo principal édescobrir a natureza fundamental do que estãopor trás da supercondutividade fortemente acoplada", diz Park. "O grafeno de três camadas não éapenas o supercondutor de acoplamento mais forte já encontrado, mas também o mais sintoniza¡vel. Com essa sintonização, podemos realmente explorar a supercondutividade , em qualquer lugar do espaço de fase."