2024 foi o ano dos supercondutores exóticos, que podem revolucionar o mundo
Três novas espécies de supercondutividade foram detectadas este ano, ilustrando as inúmeras maneiras pelas quais os elétrons podem se unir para formar uma sopa quântica sem atrito
Este ano, a supercondutividade - o fluxo de corrente elétrica com resistência zero - foi descoberta em três materiais distintos. Duas instâncias ampliam a compreensão do fenômeno, conforme os livros didáticos. O terceiro o destrói completamente. "É uma forma extremamente incomum de supercondutividade que muitas pessoas teriam dito não ser possível", disse Ashvin Vishwanath, físico da Universidade de Harvard que não esteve envolvido nas descobertas.
Desde 1911, quando a cientista holandesa Heike Kamerlingh Onnes viu pela primeira vez a resistência elétrica desaparecer, a supercondutividade tem cativado os físicos. Há o puro mistério de como ela acontece: O fenômeno exige que os elétrons, que transportam a corrente elétrica, se emparelhem. Os elétrons se repelem uns aos outros, então como eles podem se unir?
Há também a promessa tecnológica: a supercondutividade já possibilitou o desenvolvimento de máquinas de ressonância magnética e poderosos colisores de partículas. Se os físicos conseguissem entender completamente como e quando o fenômeno surge, talvez pudessem projetar um fio que superconduzisse eletricidade em condições cotidianas, em vez de exclusivamente em baixas temperaturas, como é o caso atualmente. Tecnologias que alteram o mundo - redes de energia sem perdas, veículos que levitam magneticamente - podem vir em seguida.
As descobertas resultam de uma recente revolução na ciência dos materiais: Todas as três novas instâncias de supercondutividade surgem em dispositivos montados a partir de folhas planas de átomos. Esses materiais apresentam uma flexibilidade sem precedentes; com o toque de um botão, os físicos podem alterná-los entre comportamentos condutores, isolantes e outros mais exóticos - uma forma moderna de alquimia que tem turbinado a busca pela supercondutividade.
Agora parece cada vez mais provável que diversas causas possam dar origem ao fenômeno. Assim como pássaros, abelhas e libélulas voam usando diferentes estruturas de asas, os materiais parecem emparelhar os elétrons de diferentes maneiras. Mesmo que os pesquisadores debatam exatamente o que está acontecendo nos diversos materiais bidimensionais em questão, eles preveem que o crescente zoológico de supercondutores os ajudará a obter uma visão mais universal do fenômeno fascinante.
Emparelhamento de elétrons
O caso das observações de Kamerlingh Onnes (e da supercondutividade observada em outros metais extremamente frios) foi finalmente desvendado em 1957. John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer descobriram que, em baixas temperaturas, a trepidação da estrutura atômica de um material se acalma, de modo que efeitos mais delicados aparecem. Os elétrons puxam suavemente os prótons na estrutura, atraindo-os para dentro e criando um excesso de carga positiva. Essa deformação, conhecida como fônon, pode então atrair um segundo elétron, formando um "par de Cooper". Todos os pares de Cooper podem se unir em uma entidade quântica coerente de uma forma que os elétrons solitários não podem. A sopa quântica resultante desliza sem atrito entre os átomos do material, que normalmente impedem o fluxo elétrico.
A teoria da supercondutividade baseada em fônons de Bardeen, Cooper e Schrieffer lhes rendeu o Prêmio Nobel de Física em 1972. Mas essa teoria acabou não sendo a história completa. Na década de 1980, os físicos descobriram que os cristais cheios de cobre, chamados cupratos, podiam ser supercondutores em temperaturas mais altas, onde as oscilações atômicas eliminam os fônons. Seguiram-se outros exemplos semelhantes.
Os teóricos pensaram em novas maneiras de emparelhar os elétrons.
Os supercondutores de temperatura mais alta pareciam ter átomos dispostos de uma forma que retarda a velocidade dos elétrons. E quando os elétrons têm a chance de se misturar com calma, eles geram coletivamente um campo elétrico ornamentado que pode levá-los a fazer coisas novas, como formar pares em vez de se repelir. Os físicos agora suspeitam que nos cupratos, especificamente, os elétrons saltam entre os átomos de uma maneira particular que favorece o emparelhamento. Mas outros supercondutores "não convencionais" ainda são bastante misteriosos.
Então, em 2018, um novo supercondutor abriu mais os olhos dos físicos.
Pablo Jarillo-Herrero, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, descobriu que, se você pegasse uma folha de átomos de carbono disposta em uma estrutura de favo de mel - um cristal 2D chamado grafeno -, torcesse-a precisamente a 1,1 grau e a empilhasse sobre outra folha de grafeno, as duas camadas poderiam ser supercondutoras.
Os pesquisadores ainda estão discutindo por que os elétrons ficam juntos nesses casos. Os fônons se encaixam nos dados de algumas maneiras, mas algo novo também parece ser responsável.
Mas o que realmente entusiasmou os físicos foi a promessa de uma nova maneira de investigar a supercondutividade em geral. Os dispositivos 2D personalizáveis os libertaram do trabalho árduo de projetar, cultivar e testar novos cristais um a um. Agora, os pesquisadores poderiam recriar rapidamente os efeitos de muitas redes atômicas diferentes em um único dispositivo e descobrir exatamente do que os elétrons são capazes.
A estratégia de pesquisa agora está dando resultado. Este ano, os físicos descobriram as primeiras instâncias de supercondutividade em materiais 2D diferentes do grafeno, além de uma forma completamente nova de supercondutividade em um novo sistema de grafeno. As descobertas estabeleceram que os primeiros supercondutores de grafeno marcam apenas os arredores de uma nova selva.
Os pesquisadores já vinham trabalhando com materiais 2D e descobrindo diversos comportamentos. Ao aplicar campos elétricos, eles podiam adicionar elétrons à folha ou fazer com que os elétrons parecessem quase como se a grade atômica estivesse se contraindo. A manipulação dessas configurações em um único dispositivo 2D poderia reproduzir o comportamento de milhares a milhões de materiais potenciais. Entre esses montes de possibilidades, Jarillo-Herrero demonstrou que havia um novo supercondutor: o grafeno de "ângulo mágico".
Uma dica justificada
Em 2020, o físico Cory Dean e sua equipe na Universidade de Columbia tentaram empilhar folhas de um cristal 2D diferente - este, um arranjo em forma de favo de mel de dois tipos de átomos, chamado dicalcogeneto de metal de transição (TMD). Quando eles torceram as folhas a 5 graus, a resistência caiu para zero, mas não permaneceu lá. Foi um indício inconclusivo de supercondutividade.
A natureza provisória da detecção não impediu que Liang Fu, do MIT, e Constantin Schrade, da Universidade Estadual da Louisiana, tentassem explicá-la. Eles suspeitavam que os fônons não eram a resposta. Os materiais torcidos são poderosos porque a torção muda o que os elétrons experimentam, imbuindo o material com um padrão caleidoscópico de "moiré". O moiré apresenta grandes células hexagonais que agem como átomos artificiais, hospedando elétrons. Nesse novo ambiente, os elétrons se movem lentamente o suficiente para que suas interações elétricas coletivas orientem seu comportamento.
Mas como os elétrons estavam conspirando para formar pares? O grupo de Columbia canalizou elétrons para o moiré. Eles observaram que, quando havia um elétron para cada uma das células grandes no material moiré, esses elétrons assumiam um arranjo "antiferromagnético"; seus campos magnéticos intrínsecos tendiam a alternar entre apontar para cima e para baixo. A adição de mais elétrons ao moiré fez com que a resistência caísse para zero - pares de Cooper haviam se formado. Fu e Schrade argumentaram que a mesma ação de elétron sobre elétron estava tornando possível tanto o estado antiferromagnético quanto o estado supercondutor. Com um elétron por célula, cada elétron pode ter um local preferencial e uma orientação magnética. Mas quando mais elétrons se acumulam, o arranjo magnético torna-se instável e toda a população começa a fluir livremente.
Inicialmente, as revistas científicas rejeitaram o artigo de Fu e Schrade que descrevia essas ideias porque não havia nenhuma evidência concreta de que os TMDs pudessem ser supercondutores. Agora há. O grupo da Columbia passou os últimos quatro anos aprimorando sua capacidade de medir a resistência elétrica em baixas temperaturas e, no início deste ano, eles tiveram um grande avanço. Eles montaram outro dispositivo de duas folhas com uma torção de 5 graus, o resfriaram e o viram superconduzir - uma observação que será publicada em breve na Nature. "Eis que vemos que o estado que pensávamos existir está aparecendo exatamente no lugar certo", disse Dean. "É um pouco como uma justificativa."
A teoria de Fu e Schrade - reforçada pela confirmação da Columbia - foi publicada, mas não está comprovada. Uma maneira de testá-la é verificar se os pares de Cooper podem girar, como prevê a teoria. Essa é uma característica incomum, pois os elétrons emparelhados por fônons não orbitam uns aos outros.
Acrescentar elétrons a um metal antiferromagnético não é a única maneira de criar supercondutividade em TMDs. Pouco antes da descoberta da Columbia, outro grupo encontrou uma espécie ainda mais peculiar de supercondutividade no mesmo material.
Jie Shan e Kin Fai Mak, um casal acadêmico poderoso que dirige um laboratório na Universidade de Cornell, procurava a supercondutividade em TMDs desde a descoberta de sucesso do grafeno torcido de Jarillo-Herrero em 2018. Eles passaram anos misturando e combinando cinco tipos de cristais TMD, experimentando diferentes ângulos de torção e temperaturas e aplicando várias forças de campo elétrico ao material - procurando em um enorme palheiro por um dispositivo supercondutor.
Quando a agulha finalmente apareceu, ela exibia uma espécie de supercondutividade que ninguém havia previsto. A equipe da Columbia começou com um metal antiferromagnético e adicionou elétrons. O grupo de Cornell, no entanto, começou com um isolante e não adicionou nada. Seu padrão moiré - que resultou de uma torção mais branda de 3,5 graus - permitiu que os elétrons ficassem tão lentos e interagissem tão fortemente que todos ficaram presos no lugar, exatamente com um elétron por célula.
Em seguida, o grupo tornou o dispositivo supercondutor apenas ajustando a intensidade do campo elétrico aplicado. Esse resultado, que os pesquisadores relataram na Nature, em outubro, não se encaixa perfeitamente em nenhuma teoria popular de supercondutividade.
"Realmente parece que algo mais está acontecendo", disse Vishwanath.
O animal mais exótico de todos os tempos
Mesmo que a supercondutividade tenha se espalhado para os TMDs, o grafeno continua a surpreender. Durante o verão americano, um dispositivo de grafeno produziu uma forma mítica de supercondutividade.
"Ela é fenomenologicamente diferente de todos os outros supercondutores", disse Long Ju, do MIT, líder do grupo que a descobriu. E isso "comparando-o a qualquer supercondutor descoberto desde Kamerlingh Onnes, em 1911?.
A torção é muito confusa para o gosto de Ju; os padrões de moiré tendem a ser interrompidos por rugas nas folhas que tornam cada dispositivo um pouco diferente. Em vez disso, ele estuda um arranjo em forma de escada de quatro camadas de grafeno que também pode reduzir a velocidade dos elétrons. O desafio é identificar quais flocos de grafeno têm naturalmente essa disposição em escada - algo que Ju consegue fazer com o auxílio de uma câmera infravermelha. "Você não precisa pegar quatro camadas diferentes e empilhá-las", disse Ju. "A natureza faz isso por você. Você só precisa ter o par de olhos certo para vê-las."
No ano passado, o grupo de Ju causou impacto ao colocar um floco de grafeno de cinco camadas em um isolante em um ângulo torcido e observar um comportamento raro de elétrons que normalmente requer um forte campo magnético para ser induzido. Os teóricos questionaram se a torção era essencial, então ele e sua equipe voltaram para ver o que aconteceria quando a torção fosse retirada. "Descobrimos algo ainda mais bizarro", disse Ju.
Ao alterar a intensidade do campo elétrico aplicado ao material, eles encontraram várias configurações em que a resistência desapareceu. Em dois casos, a supercondutividade oscilou, com a resistência aparecendo e desaparecendo. Estranhamente, quando eles ligaram um ímã próximo, a oscilação parou. Normalmente, os ímãs acabam com a supercondutividade, mas aqui, eles a reforçaram. "Isso existia apenas na imaginação dos teóricos", disse Ju.
O grupo de Ju suspeita que as escadas de grafeno estejam criando as condições para que os elétrons se emparelhem e girem. Mas eles acham que, em seus dispositivos de grafeno, todos os pares tendem a girar na mesma direção, seja no sentido horário ou anti-horário, e aparecem cintilações quando os pares não estão girando uniformemente. O campo magnético elimina as oscilações empurrando todos os pares rebeldes para que se alinhem com o giro geral. Um material com essa direção interna preferencial é chamado de "quiral", mas há muito tempo acredita-se que a quiralidade impede a supercondutividade, pois distingue os elétrons que se movem para a esquerda e para a direita de uma forma que deveria impedir a formação de pares.
"As pessoas achavam que não seria possível obter supercondutividade nesse cenário", disse Vishwanath. "Isso realmente exige algo totalmente novo."
Na verdade, isso é tão incomum que outros pesquisadores estão esperando por mais experimentos para verificar o fato. "Provavelmente ainda é uma história em evolução", disse Mak. "Ela só precisa de mais dados para confirmar totalmente se é um supercondutor quiral ou não."
Enquanto isso, os teóricos publicaram novas teorias sobre como a supercondutividade quiral pode ocorrer. Fu e seus colaboradores propuseram a seguinte receita em setembro: você começa com elétrons dispostos para formar um cristal repetitivo - como em um isolante, exceto que, nesse caso, a grade de elétrons está livre para flutuar independentemente dos núcleos atômicos de fundo. Em seguida, a grade de elétrons relaxa, e suas ondulações emparelham os elétrons da mesma forma que os fônons. Fu enfatizou que essa é apenas uma possibilidade, observando: "Estamos em território desconhecido".
Um verdadeiro entendimento
Embora os físicos não possam dizer com certeza o que está emparelhando os elétrons nesses materiais 2D, eles se sentem mais confiantes de que há várias maneiras de fazer isso. Os elétrons se organizam em todos os tipos de materiais, de isolantes a metais magnéticos e cristais eletrônicos, e pequenas perturbações parecem estar prontas para transformar muitos desses materiais em pares de elétrons supercondutores.
A possibilidade de ver diretamente o que acontece quando adicionam mais elétrons a um material ou enfraquecem ligeiramente seu campo elétrico permite que os físicos experimentem rapidamente um número sem precedentes de receitas e vejam quais delas levam à supercondutividade.
"A verdadeira promessa", disse Dean, é que cada um desses dispositivos é 'um laboratório ajustável no qual podemos produzir basicamente qualquer outro material'.
Os experimentalistas estão acumulando um tesouro de dados para os teóricos explicarem. Mak e Shan esperam que essa abundância permita que os teóricos prevejam maneiras de criar supercondutividade que os experimentos possam confirmar. Isso demonstraria uma verdadeira compreensão do fenômeno, o que representaria uma conquista acadêmica e uma etapa fundamental para a criação de materiais para novas tecnologias revolucionárias.
Mas, por enquanto, os experimentalistas ainda estão liderando o caminho. "Todos estão correndo o mais rápido que podem", disse Yankowitz. "Não consigo acreditar que já estamos há seis anos e não é possível fazer uma pausa."
História original republicada com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente apoiada pela Simons Foundation. Leia o conteúdo original em Exotic New Superconductors Delight and Confound.
Este conteúdo foi traduzido com o auxílio de ferramentas de Inteligência Artificial e revisado por nossa equipe editorial. Saiba mais em nossa Política de IA.
