Os pesquisadores encontraram evidências de que a supercondutividade pode ser controlada alterando o ambiente do material. É um avanço que poderá eventualmente levar a uma eletrônica mais eficiente e a tecnologias quânticas poderosas.
A supercondutividade permite que certos materiais transfiram eletricidade com perda zero de energia quando resfriados abaixo de uma temperatura crítica. Embora os cientistas tenham estudado este fenómeno durante décadas, muitos dos seus mecanismos subjacentes permanecem pouco compreendidos. Obter uma compreensão mais profunda de como as formas de supercondutividade podem ajudar os pesquisadores a projetar materiais melhores e a melhorar dispositivos eletrônicos e quânticos no futuro.
Grafeno torcido exibe comportamento incomum
A pesquisa, liderada por Chun Ning (Jianni) Lau, professor de física na Ohio State University, concentrou-se em um material especialmente projetado conhecido como grafeno de dupla camada torcida. O material é feito empilhando duas folhas de carbono e girando levemente uma em relação à outra.
A equipe de pesquisa combinou a estrutura do grafeno com titanato de estrôncio, um material sintético semelhante ao diamante. Essa configuração permitiu aos cientistas observar e influenciar a interação dos elétrons no sistema.
As interações eletrônicas desempenham um papel importante na determinação de propriedades como magnetismo e ligações químicas. Nos supercondutores, os elétrons são combinados de uma maneira especial que permite que a eletricidade flua sem resistência. Ao ajustar o ambiente em torno do material, a equipe descobriu que poderia fortalecer ou enfraquecer essas interações e ativar e desativar efetivamente a supercondutividade.
“Os elétrons normalmente se repelem, mas nos supercondutores eles formam pares; essa formação de pares é a chave para a capacidade de um supercondutor de conduzir eletricidade sem dissipação”, disse Lau. “Nossos dados sugerem que os próprios elétrons, dependendo de sua sensibilidade ao ambiente, são inesperadamente importantes para mudanças no material”.
A descoberta desafia a teoria tradicional dos supercondutores
Os pesquisadores ficaram surpresos com uma de suas descobertas. À medida que aumentavam certos ajustes no material, a supercondutividade tornou-se mais fraca, e não mais forte.
Este comportamento difere do que os cientistas normalmente observam em supercondutores convencionais, onde uma redução nas forças repulsivas entre os elétrons normalmente aumenta a supercondutividade. O resultado inesperado mostra como materiais incomuns, como o grafeno de dupla camada torcida, podem se comportar de maneira muito diferente dos supercondutores tradicionais.
“Se fosse possível transmitir eletricidade sem perda de energia, seria muito importante para as tecnologias utilizadas no nosso dia a dia”, disse Lau. “Apesar das questões fundamentais que ainda precisam ser respondidas, este trabalho basicamente fornece um caminho para um novo tipo de mecanismo físico”.
A descoberta também pode ajudar os investigadores a aproximarem-se de um dos objetivos mais importantes da área: desenvolver supercondutores que operem a temperaturas muito mais elevadas, potencialmente até à temperatura ambiente. Alcançar este marco poderá mudar drasticamente a electrónica, os sistemas de comunicação e as tecnologias de transmissão de energia.
O potencial para uma eletrônica mais eficiente
Resultados publicados em Física da naturezaoferecem um método mais simples de controlar as condições necessárias para criar supercondutividade.
Muitos supercondutores de alta temperatura enfrentam atualmente limitações que reduzem seu desempenho. Os pesquisadores acreditam que a manipulação do ambiente desses materiais poderia fornecer uma nova maneira de melhorar suas capacidades e aumentar a eficiência da eletrônica do futuro.
De acordo com o autor principal Xueshi Gao, estudante de pós-graduação em física na Ohio State, a equipe espera que os resultados sejam úteis para muitos experimentos e sistemas de materiais diferentes em todo o campo.
“O mecanismo de supercondutividade no sistema de grafeno de dupla camada torcida que usamos ainda não é bem compreendido”, disse Gao. “Mas nosso resultado pode lançar alguma luz e ajudar as pessoas a entender melhor esse conceito ao aplicá-lo em trabalhos futuros.”
Os pesquisadores estão planejando novos experimentos
Os cientistas alertam que o trabalho representa um primeiro passo para a compreensão de uma gama muito mais ampla de interações eletrônicas complexas. Estudos futuros irão investigar outros tipos de interações e investigar questões físicas adicionais levantadas pelo estudo.
“Estamos demonstrando capacidades que não foram demonstradas antes, por isso muitas pessoas na indústria estão muito entusiasmadas com este resultado”, disse Lau.
Coautores adicionais do estado de Ohio incluem Aatmai Rajesh, Emilio Cadesida, Daria Sharifi, Zheneng Zhang, Yuwei Liu e Mark Bokrat. Os colaboradores incluíram Alejandro Jimena-Poza, Pierre Pantaleon e Paco Guineya da Imdea Nanoscience na Espanha.
A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia e pela National Science Foundation.
