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Grafeno lança luz sobre comportamento escondido dos supercondutores

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Folha de grafeno entre as de nitreto de boro, sobre os pares de eletrões do supercondutor, e emissor ao centro

terça-feira, 26/01/2021

Estudo liderado por Nuno Peres, da UMinho, sai na conceituada “PNAS” e abre portas a um entendimento da física fundamental dos supercondutores

Uma equipa internacional liderada por Nuno Peres, do Centro de Física da Escola de Ciências da Universidade do Minho e do INL, descobriu que o uso do grafeno permite lançar luz sobre comportamentos “escondidos” dos materiais supercondutores, os quais estão associados a muitas das novas tecnologias quânticas.

O estudo sai esta semana na PNAS – Proceeedings of the National Academy of Sciences, a revista científica generalista mais prestigiada após as revistas Science e Nature. Foi na PNAS que, em 2005, se anunciou o isolamento de vários materiais bidimensionais (como o grafeno), por Andre Geim e Konstantin Novoselov, ambos laureados com o Nobel da Física em 2010.

O novo estudo envolveu ainda o Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia (INL), as universidades do Sul da Dinamarca, Técnica da Dinamarca e de Columbia (EUA), o Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona (Espanha), e teve o apoio do consórcio Graphene Flagship da Comissão Europeia.

A maioria da energia elétrica que geramos e transportamos tem perdas associadas devido à resistência elétrica dos condutores (como o cobre) onde a corrente elétrica flui, dissipando-se na forma de calor. Já um supercondutor permite à corrente elétrica fluir por ele sem resistência elétrica. Os supercondutores são alvo de fenómenos complexos. O exemplo talvez mais conhecido é o da sua utilização na levitação de comboios de alta velocidade, cuja base destes é arrefecida a temperaturas muito baixas e, ao interagir com os ímanes fortes dos carris, flutua e pode atingir velocidades na ordem dos 500 km/h.

Outros efeitos físicos dos supercondutores são esquivos, não sendo facilmente observáveis porque, por exemplo, não interagem diretamente com a luz (radiação eletromagnética). Um desses “cantos invisíveis” é o modo de Higgs, uma “oscilação na densidade dos pares de portadores de carga” nos supercondutores.

Descoberta à nanoescala

Agora, descobriu-se que o grafeno pode ajudar a lançar luz sobre esse “recanto escuro” da física de alguns tipos de supercondutores. O grafeno é uma monocamada de carbono (com um átomo de espessura) obtida a partir da grafite (vemo-la na ponta do lápis), sendo muito leve, flexível, resistente e um bom condutor elétrico. Esse perfil permite-lhe guiar oscilações coletivas de carga elétrica que interagem com a luz (denominadas por plasmões), de modo semelhante aos eletrões num metal, mas de forma extremamente eficiente, intensa, e à nanoescala, como parte da equipa responsável por este artigo na PNAS tinha demonstrado na revista Science em 2018 e em 2020.

Neste novo trabalho, os cientistas estudaram a forma como tais oscilações do “mar de eletrões” do grafeno interagem com pares de eletrões num supercondutor colocado a poucos nanómetros de distância. Para tal, depositaram no topo desse supercondutor uma folha de grafeno encapsulada em nitreto de boro hexagonal. O modo de Higgs foi assim detetado pela forma como a paisagem energética das oscilações de carga elétrica no grafeno era modificada pela presença do supercondutor. Foi esse acoplamento que permitiu “ver” o fenómeno esquivo. Nesse modo de Higgs, o supercondutor sofre intensas “flutuações da densidade dos pares de eletrões” que alteram a forma como coletivamente se comportam os eletrões no grafeno.

O artigo sugere igualmente que combinar a interação luz-matéria à nanoescala, evolvendo matéria fortemente correlacionada, pode ajudar a compreender a física fundamental por detrás dos fenómenos que governam os materiais àquela escala. Esse conhecimento é indispensável para o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas.

Intitulado “Harnessing ultraconfined graphene plasmons to probe the electrodynamics of superconductors”, o trabalho inclui ainda, entre os seis autores, o português Paulo André Gonçalves, que é ex-aluno da licenciatura em Física da UMinho e investigador pós-doutorado na Dinamarca.

+Info: www.pnas.org/content/118/4/e2012847118, www.fisica.uminho.pt, www.ecum.uminho.pt, inl.int, graphene-flagship.eu

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