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Aug 09, 2023

Estudo: Supercondutividade liga e desliga em “mágica

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Com algumas torções e empilhamentos cuidadosos, os físicos do MIT revelaram uma propriedade nova e exótica no grafeno de "ângulo mágico": a supercondutividade que pode ser ligada e desligada com um pulso elétrico, muito parecido com um interruptor de luz.

A descoberta pode levar a transistores supercondutores ultrarrápidos e energeticamente eficientes para dispositivos neuromórficos – eletrônicos projetados para operar de maneira semelhante ao rápido disparo liga/desliga de neurônios no cérebro humano.

O grafeno de ângulo mágico refere-se a um empilhamento muito particular de grafeno – um material fino como um átomo feito de átomos de carbono que estão ligados em um padrão hexagonal semelhante ao arame de galinha. Quando uma folha de grafeno é empilhada sobre uma segunda folha em um ângulo "mágico" preciso, a estrutura torcida cria um padrão "moiré" ligeiramente deslocado, ou superlattice, que é capaz de suportar uma série de comportamentos eletrônicos surpreendentes.

Em 2018, Pablo Jarillo-Herrero e seu grupo no MIT foram os primeiros a demonstrar grafeno de bicamada torcido em ângulo mágico. Eles mostraram que a nova estrutura de bicamada poderia se comportar como um isolante, muito parecido com a madeira, quando aplicado um certo campo elétrico contínuo. Quando eles aumentaram o campo, o isolador de repente se transformou em um supercondutor, permitindo que os elétrons fluíssem sem atrito.

Essa descoberta foi um divisor de águas no campo da "twistronics", que explora como certas propriedades eletrônicas emergem da torção e camadas de materiais bidimensionais. Pesquisadores, incluindo Jarillo-Herrero, continuaram a revelar propriedades surpreendentes no grafeno de ângulo mágico, incluindo várias maneiras de alternar o material entre diferentes estados eletrônicos. Até agora, esses "interruptores" agiram mais como dimmers, pois os pesquisadores devem aplicar continuamente um campo elétrico ou magnético para ativar a supercondutividade e mantê-la ligada.

Agora, Jarillo-Herrero e sua equipe mostraram que a supercondutividade no grafeno de ângulo mágico pode ser ativada e mantida com apenas um pulso curto, em vez de um campo elétrico contínuo. A chave, eles descobriram, era uma combinação de torcer e empilhar.

Em um artigo publicado hoje na Nature Nanotechnology, a equipe relata que, ao empilhar grafeno de ângulo mágico entre duas camadas deslocadas de nitreto de boro - um material isolante bidimensional - o alinhamento exclusivo da estrutura do sanduíche permitiu aos pesquisadores transformar a supercondutividade do grafeno em e desligar com um curto pulso elétrico.

"Para a grande maioria dos materiais, se você remover o campo elétrico, zzzzip, o estado elétrico desaparece", diz Jarillo-Herrero, que é o Cecil e Ida Green Professor de Física no MIT. "Esta é a primeira vez que foi feito um material supercondutor que pode ser ligado e desligado eletricamente, abruptamente. Isso pode abrir caminho para uma nova geração de componentes eletrônicos supercondutores baseados em grafeno".

Seus co-autores do MIT são a principal autora Dahlia Klein PhD '21, estudante de pós-graduação Li-Qiao Xia e ex-pós-doutorado David MacNeill, junto com Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão.

Acionando o interruptor

Em 2019, uma equipe da Universidade de Stanford descobriu que o grafeno de ângulo mágico poderia ser forçado a um estado ferromagnético. Os ferromagnetos são materiais que retêm suas propriedades magnéticas, mesmo na ausência de um campo magnético aplicado externamente.

Os pesquisadores descobriram que o grafeno de ângulo mágico pode exibir propriedades ferromagnéticas de uma maneira que pode ser ligada e desligada. Isso aconteceu quando as folhas de grafeno foram colocadas entre duas folhas de nitreto de boro, de modo que a estrutura cristalina do grafeno estivesse alinhada a uma das camadas de nitreto de boro. O arranjo se assemelha a um sanduíche de queijo no qual a fatia superior do pão e as orientações do queijo estão alinhadas, mas a fatia inferior do pão é girada em um ângulo aleatório em relação à fatia superior. O resultado intrigou o grupo do MIT.