Novo material com camadas onduladas de átomos exibe propriedades supercondutoras incomuns

Físicos do MIT e colegas criaram um novo material com propriedades supercondutoras e metálicas incomuns, graças a camadas onduladas de átomos com apenas bilionésimos de metro de espessura que se repetem várias vezes para criar uma amostra macroscópica que pode ser manipulada manualmente. O grande tamanho da amostra torna muito mais fácil explorar seu comportamento quântico, ou interações na escala atômica que dão origem a suas propriedades.

O trabalho, relatado em Naturezatambém é importante porque o material foi sintetizado por meio de design racional. Em outras palavras, a receita para o material é baseada nos insights da equipe sobre a ciência dos materiais e a química dessa família de materiais. Como resultado, os físicos estão confiantes de que podem criar ainda mais materiais novos com propriedades incomuns.

Além disso, embora existam outros materiais que formam estruturas atômicas onduladas, a equipe acredita que esta é a mais perfeita. As camadas nanoscópicas de ondas são uniformes em todo o cristal, que é composto de milhares dessas camadas onduladas.

“Esses materiais vão além do que se consideraria convencionalmente um cristal. Observar e entender quais novas propriedades físicas podem surgir é uma oportunidade empolgante”, diz Joseph Checkelsky, pesquisador sênior do trabalho e professor associado de Física no MIT.

Materiais 2D

Materiais bidimensionais, ou aqueles que consistem em apenas uma ou algumas camadas de átomos, capturaram a atenção dos físicos porque podem ser manipulados para produzir materiais com propriedades novas e incomuns. Por exemplo, girar ou torcer uma ou mais camadas em um ângulo leve cria um padrão único chamado superrede moiré que pode dar origem a fenômenos incluindo supercondutividade e magnetismo não convencional.

Mas materiais moiré são difíceis de fazer — eles devem ser montados manualmente — e difíceis de estudar por causa de suas dimensões atômicas. O grupo de Checkelsky tem trabalhado para criar materiais análogos que são muito mais fáceis de manipular.

“Nós essencialmente misturamos pós de material, os expomos a temperaturas de algumas centenas de graus Celsius em um forno e confiamos em reações químicas” para formar naturalmente cristais macroscópicos com propriedades ditadas por interações em escala atômica. “Esse é o principal avanço”, diz Aravind Devarakonda, Ph.D. do MIT, que agora é professor assistente na Universidade de Columbia. Devarakonda é o primeiro autor do atual Natureza papel.

Em 2020, Checkelsky e muitos dos mesmos colegas no trabalho atual relataram o primeiro material desse tipo criado dessa forma na revista Ciência. Esse artigo foi acompanhado por um artigo de perspectiva da Professora Leslie M. Schoop, da Universidade de Princeton.

Em 2021, Checkelsky e colegas descreveram em Natureza a física por trás de como esse material em particular pode exibir dois tipos diferentes de supercondutividade. O novo material ondulado é o segundo membro dessa família de compostos.

Como um bolo de camadas

Como um bolo de camadas, o novo material é composto de uma camada metálica atomicamente fina de tântalo e enxofre empilhada sobre uma camada “espaçadora” composta de estrôncio, tântalo e enxofre. Essa estrutura se repete em milhares de camadas para criar um grande cristal.

Devarakonda e colegas acreditam que as ondas se formam devido a uma incompatibilidade no tamanho e na estrutura da rede cristalina de cada camada. Correspondentemente, uma camada — composta de tântalo e enxofre — se curva para se encaixar sobre a outra, formando a onda. Imagine colocar uma folha de papel ofício sobre uma folha de papel comum de impressora. Para que o papel ofício se encaixe sobre o papel comum, parte do papel precisaria se curvar para cima. A nova estrutura é análoga, exceto que o papel ofício é “preso” ao papel comum em intervalos, formando ondas.

Propriedades incomuns

Essas ondas minúsculas, por sua vez, estão por trás das propriedades interessantes do material. Por exemplo, a uma certa temperatura, o material pode se tornar supercondutor, onde os elétrons viajam através de um material sem resistência.

Neste caso, “os elétrons são impressos pelas modulações estruturais [waves]diz Devarakonda. Em outras palavras, “a supercondutividade também capta essa ondulação. Em algumas partes ela é forte, e em outras partes ela é enfraquecida.”

Similarmente, o material tem propriedades metálicas incomuns. Isso porque os elétrons acham muito mais fácil fluir pelos vales de uma onda — ou por um vale — em oposição a subir e passar pelas colinas de uma onda.

“Então o que fizemos foi dar aos elétrons uma direcionalidade. É mais fácil para eles fluírem em uma direção do que na outra”, diz Devarakonda. “Mostramos que, ao introduzir a [wave] estrutura podemos mudar drasticamente o comportamento das camadas. Nós plantamos a bandeira; agora nós e outros podemos correr com aplicativos. Ao ficarmos sobre os ombros de gigantes, criamos uma família inteiramente nova de materiais. É um território completamente desconhecido que trouxe resultados inesperados, e surpresas são sempre divertidas.”

Além de Devarakonda e Checkelsky, os autores deste artigo são Alan Chen, aluno de pós-graduação no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT; Shiang Fang, ex-pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Física do MIT, agora no Google Deepmind; David Graf do Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético; Markus Kriener do Centro RIKEN de Ciência da Matéria Emergente no Japão; Austin J. Akey da Universidade de Harvard; David C. Bell de Harvard; e Takehito Suzuki da Universidade Toho.