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Inside a device built by scientists at The University of Manchester's National Graphene Institute and collaborators, one graphene system was used to screen another. As the team increased the carrier density in the neighbouring layer, superconductivity in the magic-angle graphene weakened and then disappeared completely.
No interior de um dispositivo construído por cientistas do Instituto Nacional do Grafeno da Universidade de Manchester e colaboradores, um sistema de grafeno foi utilizado para fazer a blindagem de outro. À medida que a equipa aumentou a densidade de portadores na camada vizinha, a supercondutividade no grafeno de ângulo mágico enfraqueceu e depois desapareceu completamente.
Magic-angle graphene gets its name from the way two graphene sheets are stacked with a rotational offset of about 1.1 degrees. At that angle, the material can develop unusual electronic states, including superconductivity, as electrons pair up. The central question has been what makes those pairs form: vibrations of the atomic lattice, called phonons, or interactions between the electrons themselves.
O grafeno de ângulo mágico deve o seu nome à forma como duas folhas de grafeno são empilhadas com um desvio rotacional de cerca de 1,1 graus. Nesse ângulo, o material pode desenvolver estados eletrónicos invulgares, incluindo a supercondutividade, à medida que os eletrões formam pares. A questão central tem sido perceber o que faz esses pares formarem-se: as vibrações da rede atómica, chamadas fónons, ou as próprias interações entre os eletrões.
The new device was built to weaken those electron interactions without merging the two systems. Its twisted graphene bilayers sat less than a nanometre apart, while the researchers achieved control over the interactions at distances as short as 0.3 nanometres. Increasing the neighbouring layer's carrier density progressively strengthened the screening effect. Measurements showed that the superconducting critical temperature could fall by more than an order of magnitude, while the correlated insulating state disappeared under the same conditions.
O novo dispositivo foi construído para enfraquecer essas interações entre eletrões sem fundir os dois sistemas. As suas bicamadas de grafeno torcido encontravam-se a menos de um nanómetro de distância, enquanto os investigadores conseguiram controlar as interações a distâncias tão curtas como 0,3 nanómetros. O aumento da densidade de portadores na camada vizinha reforçou progressivamente o efeito de blindagem. As medições mostraram que a temperatura crítica da supercondutividade podia diminuir mais de uma ordem de grandeza, enquanto o estado isolante correlacionado desaparecia nas mesmas condições.
The outcome points away from a simple phonon-based explanation. If phonons were the main driver, weakening the electron interactions would be expected to leave superconductivity largely unchanged or even strengthen it slightly. Instead, the opposite happened. Professor Alexey Berdyugin, the study's corresponding author at the National University of Singapore, said the result provides clear experimental evidence that strong electron-electron interactions drive superconductivity in this system. The researchers do not claim to have identified one definitive pairing mechanism; several theories involving collective electronic interactions remain possible.
O resultado afasta uma explicação simples baseada em fónons. Se os fónons fossem o principal fator, seria de esperar que o enfraquecimento das interações entre eletrões deixasse a supercondutividade praticamente inalterada ou até a reforçasse ligeiramente. Em vez disso, aconteceu o contrário. O professor Alexey Berdyugin, autor correspondente do estudo na Universidade Nacional de Singapura, afirmou que o resultado fornece provas experimentais claras de que as fortes interações eletrão-eletrão impulsionam a supercondutividade neste sistema. Os investigadores não afirmam ter identificado um mecanismo de emparelhamento definitivo; continuam a ser possíveis várias teorias que envolvem interações eletrónicas coletivas.
For now, the concrete payoff is a more discriminating laboratory tool, not a room-temperature material or a commercial device. The study was conducted at temperatures so low that, as Professor Sir Andre Geim noted, even helium turns liquid. But by tightening the limits on how superconductivity can arise in magic-angle graphene, the experiment could help researchers investigate other strongly interacting materials, including high-temperature superconductors. The study was published in Physical Review X.
Por enquanto, o benefício concreto é uma ferramenta laboratorial mais discriminante, não um material à temperatura ambiente nem um dispositivo comercial. O estudo foi realizado a temperaturas tão baixas que, como observou o professor Sir Andre Geim, até o hélio se torna líquido. Mas, ao restringir as condições em que a supercondutividade pode surgir no grafeno de ângulo mágico, a experiência poderá ajudar os investigadores a estudar outros materiais com fortes interações, incluindo os supercondutores de alta temperatura. O estudo foi publicado na Physical Review X.