O comportamento escondido dos supercondutores

Uma equipa internacional liderada por Nuno Peres, o conceituado especialista 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 foi publicado na PNAS – Proceeedings of the National Academy of Sciences, considerada a revista científica generalista mais prestigiada após a Science e a Nature. Foi, aliás, na PNAS que, em 2005, se anunciou o isolamento de vários materiais bidimensionais – como o grafeno -, por Andre Geim e Konstantin Novoselov, laureados com o Nobel da Física em 2010.

‘Invisibilidade’ na eletricidade

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.  Por seu lado, 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).

Descoberta à nanoescala

Agora, descobriu-se que o grafeno pode ajudar a lançar luz sobre um propriedades ainda mal conhecidas da física de alguns tipos de supercondutores. O grafeno é uma monocamada de carbono, com um átomo de espessura, obtida a partir da grafite que é utilizada nos lápis. É 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, tendo sido detettadas oscilações de carga elétrica no grafeno modificadas pela presença do supercondutor. Nessa situação, o supercondutor sofre intensas “flutuações da densidade dos pares de eletrões” que alteram a forma como coletivamente se comportam os eletrões no grafeno.

Conhecimento indispensável ao desenvolvimento de novas tecnologias quânticas

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 Universidade do Minho e investigador pós-doutorado na Dinamarca.

Para lá da UMinho e do INL – Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia, o presente trabalho envolveu ainda 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.

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Imagem: UM

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