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Pesquisa encontra surpreendente interação de elétrons no grafeno de 'ângulo mágico'
A técnica permite que os pesquisadores manipulem a força repulsiva entre as eleições - a interação de Coulomb - no sistema.
Por Kevin Stacey - 19/03/2021


Os pesquisadores descobriram uma maneira de manipular a força repulsiva entre os elétrons no grafeno de "ângulo mágico", que fornece uma nova visão sobre como esse material é capaz de conduzir eletricidade com resistência zero. Crédito: Li lab / Brown University

Em 2018, os físicos mostraram que algo interessante acontece quando duas folhas do nanomaterial grafeno são colocadas uma sobre a outra. Quando uma camada é girada em um "ângulo mágico" de cerca de 1,1 grau em relação à outra, o sistema se torna um supercondutor - o que significa que conduz eletricidade com resistência zero. Ainda mais emocionante, havia evidências 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 têm trabalhado para entender esse exótico estado da matéria. Agora, uma equipe de pesquisa liderada por físicos da Brown University encontrou uma nova maneira de sondar com precisão a natureza do estado supercondutor no grafeno de ângulo mágico . 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 ângulo mágico fica mais robusta quando a interação de Coulomb é reduzida, uma informação importante para entender como esse supercondutor funciona.

"Esta é a primeira vez que alguém demonstra que pode manipular diretamente a força da interação de Coulomb em um sistema eletrônico fortemente correlacionado", disse Jia Li, professor assistente de física na Brown e autor correspondente da pesquisa. "A supercondutividade é impulsionada pelas interações entre elétrons, 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 teórica importante neste sistema."

A descoberta original de 2018 de supercondutividade potencialmente não convencional no grafeno de ângulo mágico gerou um interesse significativo na comunidade da física. O grafeno - folhas de carbono com um átomo de espessura - é um material relativamente simples. Se realmente suportasse supercondutividade não convencional, a simplicidade do grafeno o tornaria um lugar ideal para explorar como o fenômeno funciona, Li diz.

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

A supercondutividade convencional foi explicada pela primeira vez na década de 1950 por um grupo de físicos que incluía o professor Brown de longa data e ganhador do Prêmio Nobel Leon Cooper. Eles mostraram que os elétrons em um supercondutor distorcem a rede atômica de um material de uma maneira que faz com que os elétrons formem duos quânticos chamados pares de Cooper, que são capazes de se mover através desse material sem impedimentos. Em supercondutores não convencionais, os pares de elétrons se formam de uma forma que se pensa ser um pouco diferente do mecanismo de Cooper, mas os cientistas ainda não sabem o que é esse mecanismo.
 
Para este novo estudo, Li e seus colegas descobriram uma maneira de usar a interação de Coulomb para sondar o emparelhamento de elétrons no grafeno de ângulo mágico. O emparelhamento da Cooper bloqueia os elétrons juntos a uma distância específica um do outro. Esse par compete com a interação de Coulomb, que tenta separar os elétrons. 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 construíram um dispositivo que traz uma folha de grafeno de ângulo mágico muito próxima a outro tipo de folha de grafeno chamada de bicamada de Bernal. Como as duas camadas são tão finas e próximas, os elétrons na amostra do ângulo mágico tornam-se levemente atraídos por regiões carregadas positivamente na camada de Bernal. Essa atração entre as camadas enfraquece efetivamente a interação de Coulomb sentida entre os elétrons na amostra de ângulo mágico, um fenômeno 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 à camada. O efeito de blindagem Coulomb só acontece quando a camada Bernal está na fase de condução. Assim, ao alternar entre a condução e o isolamento e a observação das mudanças correspondentes na supercondutividade, os pesquisadores puderam garantir que o que estavam vendo era devido à 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 magnéticos, que interrompem os supercondutores.

"Ver esse efeito Coulomb neste material foi um pouco surpreendente", disse Li. "Esperávamos ver isso acontecer em um supercondutor convencional, mas há muitas evidências sugerindo que o grafeno de ângulo mágico é um supercondutor não convencional. Portanto, qualquer teoria microscópica dessa fase supercondutora terá que levar essa informação em consideração."

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

"Ninguém jamais construiu algo assim antes", disse Li. "Tudo precisava ser incrivelmente preciso até a escala nanométrica, do ângulo de torção do grafeno ao espaçamento entre as camadas. Xiaoxue realmente fez um trabalho incrível. Também nos beneficiamos da orientação teórica de Oskar Vafek, um físico teórico do Estado da Flórida Universidade."

Embora este estudo forneça uma nova informação crítica sobre o grafeno do ângulo mágico, há muito mais que a técnica pode revelar. Por exemplo, este primeiro estudo olhou apenas para uma parte do espaço de fase para supercondutividade de ângulo mágico. É possível, diz Li, que o comportamento da fase supercondutora varie em diferentes partes do espaço de fase, e pesquisas futuras irão revelá-lo.

"A capacidade de rastrear a interação de Coulomb nos dá um novo botão experimental para girar e ajudar a entender esses fenômenos quânticos", disse Li. "Este método pode ser usado com qualquer material bidimensional, então acho que ele será útil para ajudar a projetar novos tipos de materiais."

 

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