Em 2018, os fa­sicos mostraram que algo interessante acontece quando duas folhas do nanomaterial grafeno são colocadas uma sobre a outra. Quando uma camada égirada em um "a¢ngulo ma¡gico" de cerca de 1,1 grau em relação a  outra, o sistema se torna um supercondutor - o que significa que conduz eletricidade com resistência zero. Ainda mais emocionante, havia evidaªncias de que era uma forma não convencional de supercondutividade - um tipo que pode acontecer em temperaturas bem acima do zero absoluto, onde a maioria dos materiais supercondutores funcionam.

Desde a descoberta inicial, os pesquisadores tem trabalhado para entender esse exa³tico estado da matéria. Agora, uma equipe de pesquisa liderada por fa­sicos da Brown University encontrou uma nova maneira de sondar com precisão a natureza do estado supercondutor no grafeno de a¢ngulo ma¡gico . A técnica permite que os pesquisadores manipulem a força repulsiva entre as eleições - a interação de Coulomb - no sistema. Em um estudo publicado na revista Science , os pesquisadores mostram que a supercondutividade do a¢ngulo ma¡gico fica mais robusta quando a interação de Coulomb éreduzida, uma informação importante para entender como esse supercondutor funciona.

"Esta éa primeira vez que alguém demonstra que pode manipular diretamente a força da interação de Coulomb em um sistema eletra´nico fortemente correlacionado", disse Jia Li, professor assistente de física na Brown e autor correspondente da pesquisa. "A supercondutividade éimpulsionada pelas interações entre elanãtrons, então quando podemos manipular essa interação, ela nos diz algo realmente importante sobre o sistema. Neste caso, demonstrar que a interação de Coulomb mais fraca fortalece a supercondutividade fornece uma nova restrição tea³rica importante neste sistema."

A descoberta original de 2018 de supercondutividade potencialmente não convencional no grafeno de a¢ngulo ma¡gico gerou um interesse significativo na comunidade da física. O grafeno - folhas de carbono com um a¡tomo de espessura - éum material relativamente simples. Se realmente suportasse supercondutividade não convencional, a simplicidade do grafeno o tornaria um lugar ideal para explorar como o fena´meno funciona, Li diz.

"Supercondutores não convencionais são empolgantes por causa de sua alta temperatura de transição e aplicações potenciais em computadores qua¢nticos, redes de energia sem perdas e em outros lugares", disse Li. "Mas ainda não temos uma teoria microsca³pica de como eles funcionam. a‰ por isso que todos ficaram tão entusiasmados quando algo que parecia supercondutividade não convencional estava acontecendo no grafeno de a¢ngulo ma¡gico. Sua composição química simples e sintonia no a¢ngulo de torção prometem uma imagem mais clara . "

A supercondutividade convencional foi explicada pela primeira vez na década de 1950 por um grupo de fa­sicos que inclua­a o professor Brown de longa data e ganhador do Praªmio Nobel Leon Cooper. Eles mostraram que os elanãtrons em um supercondutor distorcem a rede atômica de um material de uma maneira que faz com que os elanãtrons formem duos qua¢nticos chamados pares de Cooper, que são capazes de se mover atravanãs desse material sem impedimentos. Em supercondutores não convencionais, os pares de elanãtrons se formam de uma forma que se pensa ser um pouco diferente do mecanismo de Cooper, mas os cientistas ainda não sabem o que éesse mecanismo.

Para este novo estudo, Li e seus colegas descobriram uma maneira de usar a interação de Coulomb para sondar o emparelhamento de elanãtrons no grafeno de a¢ngulo ma¡gico. O emparelhamento da Cooper bloqueia os elanãtrons juntos a uma distância especa­fica um do outro. Esse par compete com a interação de Coulomb, que tenta separar os elanãtrons. Se fosse possí­vel enfraquecer a interação de Coulomb, os pares de Cooper deveriam, em teoria, se tornar mais fortemente acoplados, tornando o estado supercondutor mais robusto. Isso forneceria pistas sobre se o mecanismo de Cooper estava acontecendo no sistema.

Para manipular a interação de Coulomb para este estudo, os pesquisadores construa­ram um dispositivo que traz uma folha de grafeno de a¢ngulo ma¡gico muito próxima a outro tipo de folha de grafeno chamada de bicamada de Bernal. Como as duas camadas são tão finas e próximas, os elanãtrons na amostra do a¢ngulo ma¡gico tornam-se levemente atraa­dos por regiaµes carregadas positivamente na camada de Bernal. Essa atração entre as camadas enfraquece efetivamente a interação de Coulomb sentida entre os elanãtrons na amostra de a¢ngulo ma¡gico, um fena´meno que os pesquisadores chamam de triagem de Coulomb.

Um atributo da camada Bernal tornou-a particularmente útil nesta pesquisa. A camada Bernal pode ser trocada entre um condutor para isolante, alterando uma voltagem aplicada perpendicularmente a  camada. O efeito de blindagem Coulomb são acontece quando a camada Bernal estãona fase de condução. Assim, ao alternar entre a condução e o isolamento e a observação dasmudanças correspondentes na supercondutividade, os pesquisadores puderam garantir que o que estavam vendo era devido a  triagem de Coulomb.

O trabalho mostrou que a fase supercondutora se tornou mais forte quando a interação de Coulomb foi enfraquecida. A temperatura na qual a fase quebrou tornou-se mais alta e foi mais robusta aos campos magnanãticos, que interrompem os supercondutores.

"Ver esse efeito Coulomb neste material foi um pouco surpreendente", disse Li. "Espera¡vamos ver isso acontecer em um supercondutor convencional, mas hámuitas evidaªncias sugerindo que o grafeno de a¢ngulo ma¡gico éum supercondutor não convencional. Portanto, qualquer teoria microsca³pica dessa fase supercondutora tera¡ que levar essa informação em consideração."

Li disse que os resultados são um cranãdito para Xiaoxue Liu, pesquisador de pa³s-doutorado na Brown e principal autor do estudo, que construiu o dispositivo que tornou as descobertas possa­veis.

"Ninguanãm jamais construiu algo assim antes", disse Li. "Tudo precisava ser incrivelmente preciso atéa escala nanomanãtrica, do a¢ngulo de torção do grafeno ao espaa§amento entre as camadas. Xiaoxue realmente fez um trabalho incra­vel. Tambanãm nos beneficiamos da orientação tea³rica de Oskar Vafek, um fa­sico tea³rico do Estado da Fla³rida Universidade."

Embora este estudo fornea§a uma nova informação cra­tica sobre o grafeno do a¢ngulo ma¡gico, hámuito mais que a técnica pode revelar. Por exemplo, este primeiro estudo olhou apenas para uma parte do espaço de fase para supercondutividade de a¢ngulo ma¡gico. a‰ possí­vel, diz Li, que o comportamento da fase supercondutora varie em diferentes partes do espaço de fase, e pesquisas futuras ira£o revela¡-lo.

"A capacidade de rastrear a interação de Coulomb nos da¡ um novo botão experimental para girar e ajudar a entender esses fena´menos qua¢nticos", disse Li. "Este manãtodo pode ser usado com qualquer material bidimensional, então acho que ele seráútil para ajudar a projetar novos tipos de materiais."