Do que é capaz o material "camaleão" que intriga cientistas pelo mundo?

Imagine um único material em que, ao se apertar uma espécie de interruptor, muda totalmente as suas propriedades. Como assim, que tipo de propriedades estamos falando?

Todos conhecem exemplos de materiais condutores de eletricidade, como o cobre presente nas fiações elétricas, e de materiais isolantes, como a borracha usada para isolar esses fios.

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Já os materiais supercondutores são menos conhecidos. Quando submetido a baixíssimas temperaturas - geralmente poucos graus acima do zero absoluto (-273°C) - esses materiais não oferecem resistência à passagem de corrente elétrica, o que significa que se injetarmos uma corrente em um anel, (ou em um circuito fechado) feito de material supercondutor, esta corrente pode circular por milhares de anos sem se dissipar.

Agora, imagine um material em que se pode controlar suas propriedades elétricas, de maneira que com ''um clique'' podemos escolher se o material se comportará como um condutor, isolante ou supercondutor.

Esse material existe, e ele pode ser fabricado empilhando-se duas camadas de grafeno em um ângulo específico.

Para quem não conhece, o grafeno é o material mais fino que existe, tendo apenas um átomo de espessura, formado por átomos de carbono fortemente ligados entre si. Ele é um excelente condutor de eletricidade, mas não é um supercondutor. Porém, suas propriedades elétricas mudam drasticamente ao se empilhar duas camadas de grafeno com um ângulo relativo entre as camadas de aproximadamente 1.1 grau.

Sob certas condições e a baixíssimas temperaturas, essa bicamada de grafeno girada pode se comportar como um isolante ou supercondutor. A descoberta dessa propriedade em 2018 por pesquisadores do Massachuets Institute of Technology (MIT) nos Estados Unidos surpreendeu a comunidade científica, e desde então vem intrigando e empolgando cientistas ao redor do mundo, que até especulam a possiblidade de um Prêmio Nobel pela descoberta.

Um dos motivos de tanta empolgação é que o entendimento de como ocorre essas transformações entre os estados de condutor, supercondutor e isolante, além de um entendimento de como ocorre a supercondutividade em si nesse material, poderia levar os cientistas a desenvolver materiais que se tornam supercondutores próximos a temperatura ambiente (lembre-se que supercondutividade só ocorre a baixíssimas temperaturas), com um impacto tecnológico imensurável.

Exemplos disso seriam a transmissão de energia elétrica sem perdas por aquecimento dos fios, e computadores quânticos (que usam as leis da física quântica para processar informação de uma maneira consideravelmente mais eficiente e segura) mais acessíveis.

Mas as aplicações tecnológicas ainda são promessas distantes, o que há de concreto é o seu considerável impacto na ciência. O simples fato de a supercondutividade ter sido observada em um material a base de carbono puro, sem a necessidade de modificá-lo quimicamente, já foi algo completamente inesperado.

Como foi feita a descoberta?

Os pesquisadores do grupo do professor Pablo Jarillo-Herrero no MIT empilharam uma camada de grafeno sobre outra, com um ângulo de aproximadamente 1.1 grau entre as camadas, e integraram essa bicamada a um dispositivo eletrônico.

Esse dispositivo permite injetar ou retirar elétrons na bicamada, (elétrons são as partículas responsáveis pelo transporte de corrente elétrica nos materiais), através da aplicação de uma diferença de potencial. Ao se resfriar o sistema em torno de 1 grau acima do 0 absoluto (-273°C), e se retirar um certo número de elétrons, os pesquisadores descobriram que o material primeiramente se torna um isolante e em seguida um supercondutor. Logo, é possível mudar o estado do material de condutor para isolante, ou para supercondutor, simplesmente retirando-se ou adicionando elétrons.

Como isso acontece? Ainda não se sabe nem o motivo da supercondutividade nem das transformações, e um provável Prêmio Nobel está em jogo para quem descobrir. Existem inúmeros trabalhos tentando explicar o porquê.

A ideia por trás é que, de acordo com cálculos de mecânica quântica, ao se girar as camadas por esse ângulo específico de 1.1°, os elétrons na bicamada de grafeno reduzem drasticamente a sua velocidade, aumentando a chance de interagir uns com os outros, o que pode levar a vários novos fenômenos.

Por exemplo, a supercondutividade ocorre justamente quando elétrons interagem o suficiente para se juntar em pares, mas o exato mecanismo para o pareamento nesse tipo de material ainda não é conhecido.

As transformações entre isolante e supercondutor observadas na bicamada de grafeno girada são semelhantes às observadas em certos materiais, chamados de materiais com elétrons fortemente interagentes, que vem intrigando os cientistas há décadas.

A bicamada de grafeno girado, por ser um sistema mais simples quando comparado a esses materiais, abre a possibilidade de finalmente entendê-los.

Alguns desses materiais se tornam supercondutores a temperaturas relativamente elevadas em torno de -180°C, e um eventual entendimento de como isso ocorre, possibilitaria sintetizar materiais que se tornam supercondutores a temperaturas próximas à temperatura ambiente, o que possibilitaria inúmeras aplicações tecnológicas.

No campo das possíveis aplicações práticas, recentemente, o mesmo grupo que fez essa descoberta deu mais um passo nessa direção, como explica o doutorando Daniel Rodan, um dos autores do estudo (em revisão pelos pares):

"Em nosso trabalho recente, nós demonstramos ser possível, através da aplicação de uma diferença de potencial em certas regiões da amostra (que injeta ou remove elétrons localmente), formar regiões próximas umas das outras de Supercondutor-Isolante-Supercondutor, as chamadas Junção de Josephson. Essas Junções, que estão por trás do funcionamento de computadores quânticos, são geralmente feitas com materiais diferentes, o que dificulta seu processo de fabricação. Nós demonstramos que essas junções podem ser feitas com um mesmo material.

Mas eu diria que um dos maiores impacto desse trabalho é demonstrar que usando apenas um material, podemos combinar elementos básicos de um circuito eletrônico (supercondutores, condutores, isolantes) através da aplicação local de uma diferença de potencial, e construir dispositivos úteis para possíveis aplicações. Isso poderá abrir o caminho para novas tecnologias!"

O caminho para aplicações pode ainda ser longo, mas tudo começa com a descoberta do novo. E algo é certo nessa história: só estamos no início.

* Luiz Martins possui graduação em Engenharia Química e mestrado em Física pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Atualmente é doutorando no Departamento de Física do Massachusetts Institute of Technology (MIT), na área de física do estado sólido experimental. Sua pesquisa abrange o estudo de espectroscopia óptica em materiais bidimensionais (com poucos átomos de espessura), e física de altas pressões.