Os físicos do MIT observaram sinais de um tipo raro de supercondutividade em um material conhecido como gráfico de “ângulo mágico” de três camadas torcidas. Crédito da foto: cortesia de Pablo Jarillo-Herrero, Yuan Cao, Jeong Min Park e outros
Novas descobertas podem ajudar a apoiar o projeto de dispositivos de ressonância magnética mais poderosos ou computadores quânticos robustos.
Os físicos do MIT observaram sinais de um tipo raro de supercondutividade em um material conhecido como grafeno de três camadas torcida por magia. Num estudo realizado em. parece natureza, os pesquisadores relatam que o material exibe supercondutividade em campos magnéticos surpreendentemente altos de até 10 Tesla, que é três vezes maior do que o que o material prevê para um supercondutor convencional.
Os resultados sugerem fortemente que o grafeno de três camadas de ângulo mágico, originalmente descoberto pelo mesmo grupo, é um tipo muito raro de supercondutor conhecido como “tripleto de spin” que é insensível a campos magnéticos fortes. Esses supercondutores exóticos podem melhorar muito as tecnologias como a imagem por ressonância magnética, que usa fios supercondutores sob um campo magnético para ressonar e criar imagens do tecido biológico. As máquinas de ressonância magnética estão atualmente limitadas a campos magnéticos de 1 a 3 Tesla. Se eles pudessem ser construídos com supercondutores tripletos de spin, a ressonância magnética poderia operar sob campos magnéticos mais elevados para produzir imagens mais nítidas e profundas do corpo humano.
A nova evidência da supercondutividade do tripleto de spin no grafeno de três camadas também pode ajudar os cientistas a desenvolver supercondutores mais fortes para a computação quântica prática.
“O valor deste experimento está no que nos ensina sobre a supercondutividade básica, como os materiais podem se comportar, para que possamos usar o conhecimento que adquirimos para tentar desenvolver princípios para outros materiais que seriam mais fáceis de fazer e que podem lhe dar melhores os resultados podem supercondutividade ”, diz Pablo Jarillo-Herrero, Cecil e Ida Green Professor de Física no MIT.
Seus co-autores no trabalho incluem o pós-doutorando Yuan Cao e o estudante de PhD Jeong Min Park no MIT, bem como Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.
Mudança estranha
Os materiais supercondutores são caracterizados por sua capacidade supereficiente de conduzir eletricidade sem perder energia. Elétrons em um supercondutor acoplam-se a uma corrente elétrica para formar “pares de Cooper”, que então viajam através do material sem resistência, como passageiros em um trem expresso.
Na grande maioria dos supercondutores, esses pares de passageiros têm spins opostos, com um elétron girando para cima e o outro girando para baixo – uma configuração conhecida como “spin singlet”. Esses casais correm alegremente através de um supercondutor, exceto sob fortes campos magnéticos que podem deslocar a energia de cada elétron em direções opostas e separar o casal. Desta forma e por meio de mecanismos, campos magnéticos elevados podem descarrilar a supercondutividade em supercondutores de spin singlet convencionais.
“Essa é a razão fundamental pela qual a supercondutividade desaparece em um campo magnético suficientemente grande”, diz Park.
Mas há um punhado de supercondutores exóticos que são insensíveis a campos magnéticos até intensidades muito grandes. Esses materiais são supercondutores devido aos pares de elétrons com o mesmo spin – uma propriedade conhecida como “tripleto de spin”. No caso de campos magnéticos elevados, a energia de ambos os elétrons em um par de Cooper muda na mesma direção, de modo que eles não são separados, mas, em vez disso, transmitem supercondutores sem perturbações, independentemente da intensidade do campo magnético.
O grupo de Jarillo-Herrero estava curioso para ver se o grafeno de três camadas de ângulo mágico poderia mostrar sinais dessa supercondutividade tripla de spin mais incomum. A equipe foi pioneira no estudo de estruturas de moiré de grafeno – camadas de redes de carbono da espessura de um átomo que, quando empilhadas em ângulos específicos, podem levar a comportamentos eletrônicos surpreendentes.
Os pesquisadores primeiro relataram essas propriedades estranhas em duas camadas angulares de grafeno, que eles chamam de grafeno de dupla camada de ângulo mágico. Eles logo seguiram o exemplo com testes de grafeno de três camadas, uma configuração em sanduíche de três camadas de grafeno que foi considerada ainda mais forte do que sua contraparte de duas camadas e reteve a supercondutividade em temperaturas mais altas. Quando os pesquisadores aplicaram um campo magnético modesto, eles descobriram que o grafeno de três camadas era supercondutor em intensidades de campo que destruiriam a supercondutividade no grafeno de duas camadas.
“Achamos que era algo muito estranho”, diz Jarillo-Herrero.
Um super retorno
Em seu novo estudo, os físicos testaram a supercondutividade do grafeno de três camadas sob campos magnéticos cada vez mais elevados. Eles fizeram o material descascando camadas de carbono com a espessura de um átomo de um bloco de grafite, empilhando três camadas uma sobre a outra e girando a camada do meio em 1,56 graus a partir das camadas externas. Eles fixaram um eletrodo em ambas as extremidades do material para passar uma corrente e medir a energia perdida no processo. Em seguida, eles ligaram um grande ímã no laboratório, cujo campo eles alinharam paralelamente ao material.
À medida que aumentaram o campo magnético de grafeno de três camadas, eles observaram que a supercondutividade permaneceu forte até um ponto antes de desaparecer, mas então, estranhamente, reapareceu em intensidades de campo mais altas – um retorno que é altamente incomum e com Supercondutores singuletos de spin convencionais Não é conhecido.
“Se você destruir a supercondutividade em supercondutores de spin singlet, ela nunca mais volta – desaparece para sempre”, diz Cao. “Ele reapareceu aqui. Então isso definitivamente diz que este material não é um singlet de spin. “
Eles também observaram que a supercondutividade durou até 10 Tesla após a “reentrada”, a força de campo máxima que o ímã do laboratório poderia gerar. Isso é cerca de três vezes o que o supercondutor deveria suportar se fosse um singlete de spin convencional, de acordo com o limite de Pauli, uma teoria que prevê o campo magnético máximo no qual um material pode manter a supercondutividade.
O reaparecimento da supercondutividade do grafeno de três camadas, juntamente com sua persistência em campos magnéticos mais elevados do que o previsto, elimina a possibilidade de que o material seja um supercondutor comum. Em vez disso, é provável que seja um tipo muito raro, possivelmente um trio de spin, que hospeda pares Cooper que correm através do material e são insensíveis a campos magnéticos fortes. A equipe planeja estudar o material para confirmar seu estado exato de spin, o que pode ajudar no projeto de dispositivos de ressonância magnética mais poderosos, bem como de computadores quânticos mais robustos.
“A computação quântica normal é extremamente frágil”, diz Jarillo-Herrero. “Você dá uma olhada e, ufa, ele desaparece. Cerca de 20 anos atrás, os teóricos propuseram um tipo de supercondutividade topológica que, se realizada em qualquer material, [enable] um computador quântico no qual os estados responsáveis pelo cálculo são muito robustos. Isso daria infinitamente mais poder de computação. O ingrediente principal para que isso aconteça seriam supercondutores tripletos de spin de um certo tipo. Não temos ideia se nosso cara é aquele cara. Mas, mesmo que isso não aconteça, pode ser mais fácil combinar o grafeno de três camadas com outros materiais para desenvolver esse tipo de supercondutividade. Isso pode ser um grande avanço. Mas ainda é muito cedo. “
Referência: “Violação do limite de Pauli e supracondutividade reentrante em moiré grafeno” por Yuan Cao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi e Pablo Jarillo-Herrero, 21 de julho de 2021, natureza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y
Esta pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, a National Science Foundation, a Gordon and Betty Moore Foundation, a Fundacion Ramon Areces e o CIFAR Quantum Materials Program.