MIT Confirma Supercondutividade Não Convencional em MATTG

A supercondutividade ocorre quando os elétrons se emparelham, em vez de se espalharem como fazem em condutores normais ou em materiais cotidianos. Esses elétrons emparelhados são chamados de “pares de Cooper”, o que cria um fluxo perfeito e sem resistência de corrente.

Essa propriedade notável é observada em supercondutores quando são resfriados abaixo de uma “temperatura crítica” específica. Além de permitir que a corrente flua indefinidamente sem perda de energia, esses materiais também expulsam campos magnéticos, o que possibilita a levitação.

Enquanto supercondutores convencionais, como os feitos de alumínio, exigem temperaturas muito baixas, pesquisadores estão desenvolvendo ativamente materiais que podem supercondutir em temperaturas mais altas e práticas, um passo que poderia revolucionar a energia e as tecnologias quânticas.

Pesquisadores do MIT alcançaram agora esse avanço. Eles observaram uma lacuna de energia em forma de V distinta, que indica supercondutividade não convencional no grafeno de ângulo mágico, marcando um importante progresso rumo a supercondutores à temperatura ambiente.

Grafeno de Ângulo Mágico e ‘Twistrônica’: Como a Rotação das Camadas Altera a Física

Desde a descoberta do grafeno de “ângulo mágico”, ele tem gerado grande entusiasmo no mundo científico, com pesquisadores revelando inúmeros fenômenos quânticos exóticos, desde estados isolantes correlacionados e supercondutividade não convencional até magnetismo sintonizável e fases topológicas.

Em 2018, uma equipe de físicos do MIT, liderada por Pablo Jarillo‑Herrero, criou e observou pela primeira vez os efeitos do grafeno de ângulo mágico.

Eles detectaram propriedades eletrônicas incomuns, como supercondutividade, quando duas camadas de grafeno são empilhadas em um ângulo muito específico. Essa estrutura torcida é conhecida como grafeno bilayer torcido de ângulo mágico, ou MATBG.

O grafeno é uma camada única de carbono, com apenas um átomo de espessura e possui uma rede em forma de favo de mel. O arranjo dos átomos de carbono em padrão hexagonal assemelha‑se a uma tela de arame e apresenta força, durabilidade e a capacidade de conduzir calor e eletricidade notáveis.

O grafeno bilayer, por sua vez, é uma pilha de duas camadas nas quais as duas redes são orientadas de maneira específica.

No grafeno bilayer puro, Jarillo‑Herrero e sua equipe observaram comportamento de isolante de Mott (um fenômeno em que um material torna‑se isolante devido à forte repulsão entre elétrons, apesar de se esperar que seja condutor) quando as duas camadas foram torcidas em um ângulo mágico.

Isso levou ao desenvolvimento da “twistrônica”, uma nova técnica promissora para ajustar as propriedades eletrônicas do grafeno girando camadas adjacentes do material.

O método foi então usado por uma equipe de pesquisadores do MIT, da Universidade de Harvard e do NIMS no Japão para tornar o bilayer torcido supercondutor ao aplicar um campo elétrico.

Com o tempo, muitos pesquisadores investigaram várias estruturas de grafeno multicamadas, que mostraram sinais de supercondutividade não convencional.

Em 2021, físicos de Harvard empilharam com sucesso três camadas de grafeno e as torceram no ângulo mágico para produzir um sistema de três camadas que exibe supercondutividade robusta em temperaturas mais altas que muitos sistemas de grafeno duplamente empilhado. Sensível a um campo elétrico aplicado externamente, isso também permitiu à equipe sintonizar a supercondutividade ajustando a intensidade do campo.

Esse experimento ajudou os cientistas a entender que a supercondutividade da estrutura trilayer deve‑se a fortes interações elétron‑elétron, que a tornam mais resiliente a temperaturas mais altas.

No mesmo ano, pesquisadores de Princeton relataram uma semelhança impressionante entre a supercondutividade do grafeno mágico e a dos supercondutores de alta temperatura.

Usando um microscópio de tunelamento de varredura (STM), eles descobriram que os elétrons emparelhados possuem um momento angular finito. O outro estudo investigou como o comportamento de um material supercondutor muda quando o estado supercondutor é suprimido ao aumentar a temperatura ou aplicar um campo magnético. Enquanto os elétrons se desemparelham em supercondutores convencionais, em supercondutores não convencionais alguma correlação ainda é mantida.

MIT Traça Caminho para Supercondutores à Temperatura Ambiente

A capacidade dos supercondutores de conduzir eletricidade sem resistência os torna essenciais para tecnologias como scanners de ressonância magnética, transmissão e armazenamento de energia, computação avançada e aceleradores de partículas.

Mas os supercondutores convencionais operam apenas em temperaturas muito baixas. Portanto, precisam ser mantidos em sistemas de refrigeração especializados para preservar seu estado supercondutor.

Se esses materiais pudessem supercondutir em temperaturas mais altas e acessíveis, poderiam redefinir sistemas tecnológicos em todo o mundo. Com esse objetivo, cientistas do MIT estão investigando supercondutores não convencionais que se afastam do comportamento tradicional.

Recentemente, físicos do MIT observaram esse fenômeno no grafeno trilayer torcido de “ângulo mágico” (MATTG), fornecendo confirmação direta de que MATTG pode hospedar supercondutividade não convencional.

Enquanto Jeong Min Park, coautor principal do estudo, observou, em supercondutores convencionais, os elétrons nos ‘pares de Cooper’ estão muito distantes uns dos outros e fracamente ligados, ao contrário do grafeno de ângulo mágico, onde “já podíamos ver sinais de que esses pares estão muito fortemente ligados, quase como uma molécula. Havia indícios de que havia algo muito diferente neste material.”

Embora estudos anteriores tenham fornecido pistas, não foi confirmada de forma precisa. Como o estudo observou, entender a natureza da supercondutividade no grafeno de ângulo mágico tem sido desafiador, com a principal dificuldade sendo discernir a lacuna supercondutora.

A equipe do MIT, porém, mediu com sucesso a lacuna supercondutora do MATTG, revelando a força de seu estado supercondutor em diferentes temperaturas. O que encontraram foi uma lacuna no MATTG totalmente diferente da dos supercondutores convencionais, sugerindo que o surgimento da supercondutividade no MATTG depende de um mecanismo incomum.

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Como observou o coautor principal do estudo, Shuwen Sun, estudante de pós‑graduação no Departamento de Física do MIT, não há um, mas muitos mecanismos diferentes que podem levar à supercondutividade em materiais, e é a lacuna supercondutora que fornece uma pista de qual mecanismo específico pode conduzir a supercondutores à temperatura ambiente para revolucionar a energia e a tecnologia.

“Quando um material se torna supercondutor, os elétrons se movem juntos como pares em vez de individualmente, e há uma lacuna de energia que reflete como eles estão ligados. O formato e a simetria dessa lacuna nos dizem a natureza subjacente da supercondutividade.”

– Park

Para provar sua descoberta de um mecanismo não convencional, a equipe usou um sistema experimental inovador que lhes permite observar diretamente como a lacuna supercondutora se forma em materiais bidimensionais (2D).

Para isso, os pesquisadores utilizaram espectroscopia de tunelamento. Nesta técnica em escala quântica, os elétrons se comportam tanto como ondas quanto como partículas, permitindo que “tunelizem” através de barreiras que normalmente os bloqueariam. Ao estudar a facilidade com que os elétrons podem tunelar através de um material, os pesquisadores aprendem o quão fortemente eles estão ligados dentro dele.

Neste caso, a equipe fez tunelamento de elétrons entre duas camadas de MATTG para medir seu estado supercondutor.

No entanto, esse método isolado nem sempre comprova a supercondutividade de um material, tornando a medição direta crucial, porém desafiadora. Assim, a equipe combinou espectroscopia de tunelamento com medições de transporte elétrico, que acompanham como a corrente se move através de um material enquanto monitoram sua resistência.

A equipe usou essa abordagem no MATTG e identificou claramente a lacuna de tunelamento supercondutora, que apareceu apenas quando o material atingiu resistência zero.

Ao alterar a temperatura e o campo magnético, essa lacuna exibiu uma curva em V acentuada ao invés do padrão suave e plano normalmente visto em supercondutores convencionais. Conforme o estudo, a lacuna supercondutora de baixa energia desaparece na temperatura crítica supercondutora e no campo magnético.

O formato distinto aponta para um novo mecanismo subjacente à supercondutividade do MATTG, que, embora desconhecido, deixa claro que o material realmente se comporta de maneira diferente de qualquer supercondutor convencional.

Na maioria dos supercondutores, os elétrons se emparelham devido às vibrações da rede atômica circundante, que os empurram juntos. Mas no MATTG, diz Park, o emparelhamento pode ser devido a fortes interações eletrônicas, o que significa que “os próprios elétrons ajudam uns aos outros a se emparelhar, formando um estado supercondutor com simetria especial.”

A técnica que permitiu à equipe observar diretamente a lacuna supercondutora, a combinação de espectroscopia de tunelamento e medições de transporte, será agora usada para estudar vários materiais torcidos e em camadas.

Com a configuração permitindo à equipe “identificar e estudar as estruturas eletrônicas subjacentes da supercondutividade e de outras fases quânticas à medida que ocorrem, dentro da mesma amostra”, Park observou que “essa visão direta pode revelar como os elétrons se emparelham e competem com outros estados, abrindo caminho para projetar e controlar novos supercondutores e materiais quânticos que um dia poderão alimentar tecnologias mais eficientes ou computadores quânticos.”

Eles também usarão a configuração experimental para estudar o MATTG, bem como outros materiais 2D, em maior detalhe, a fim de encontrar novos candidatos promissores para tecnologias avançadas.

“Entender muito bem um supercondutor não convencional pode desencadear nossa compreensão dos demais,” disse o autor sênior do estudo, Jarillo‑Herrero, que é professor Cecil e Ida Green de Física no MIT. “Essa compreensão pode orientar o design de supercondutores que funcionem à temperatura ambiente, por exemplo, que é uma espécie de Santo Graal de todo o campo.”

O Papel da Geometria Quântica na Formação de Superfluidez dos Elétrons

Embora a mais recente descoberta do MIT no grafeno trilayer de ângulo mágico represente um grande salto na compreensão da supercondutividade não convencional, estudos complementares também ajudam a preencher detalhes essenciais, como a facilidade com que pares de elétrons fluem através desses materiais.

Sabe‑se que os elétrons em materiais supercondutores se movem sem atrito, mas a facilidade com que os pares de elétrons podem fluir depende de fatores como sua densidade. O termo “rigidez superfluida” descreve quão resistente um sistema supercondutor é a mudanças no fluxo de seus pares de elétrons, tornando‑o um indicador chave da supercondutividade.

No início deste ano, físicos do MIT e da Universidade de Harvard mediram diretamente a rigidez superfluida no grafeno de ângulo mágico para entender melhor como o material supercondutor.

Com este estudo, o objetivo tem sido identificar o mecanismo responsável pela supercondutividade no grafeno de ângulo mágico, que é determinado principalmente pela geometria quântica, ou a “forma” conceitual dos estados quânticos em um material.

Agora, para medir diretamente a rigidez superfluida, a equipe desenvolveu uma nova técnica experimental que também pode ser usada para fazer medições semelhantes em outros materiais supercondutores 2D, dos quais “há toda uma família… esperando para ser investigada.”

Em materiais como MATBG, o emparelhamento de elétrons, também conhecidos como pares de Cooper, pode formar um superfluido, significando que eles poderiam mover‑se através de um material como uma corrente sem esforço. Mas embora não tenham resistência, ainda é necessário aplicar um impulso na forma de um campo elétrico para colocar a corrente em movimento.

“A rigidez superfluida refere‑se à facilidade de fazer essas partículas se moverem, a fim de impulsionar a supercondutividade.”

– Coautor do estudo Joel Wang, cientista pesquisador no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica (RLE) do MIT

Essa rigidez superfluida geralmente é medida usando métodos que colocam o material supercondutor em um ressonador de micro‑ondas, um dispositivo que ressoa em frequências de micro‑ondas. Em um ressonador de micro‑ondas, o material modifica tanto a frequência de ressonância quanto a indutância cinética em proporção à sua rigidez superfluida.

Mas essas técnicas eram compatíveis apenas com amostras de 10 a 100 vezes maiores e mais espessas que o MATBG, o que significa que uma nova abordagem é necessária para medir a rigidez superfluida em supercondutores atômicamente finos.

Agora, o desafio de fazer isso com um material extremamente delicado como o MATBG é conectá‑lo à superfície do ressonador de micro‑ondas sem perturbar sua suavidade. Isso significa criar “um contato idealmente sem perdas — ou seja, supercondutor — entre os dois materiais”, caso contrário o sinal de micro‑ondas enviado será degradado ou simplesmente refletido.

Portanto, a equipe primeiro montou o MATBG usando técnicas padrão de fabricação e depois o encapsulou entre duas folhas isolantes de nitreto de boro hexagonal para preservar sua delicada estrutura atômica e propriedades intrínsecas.

O ressonador era principalmente de alumínio, com uma pequena quantidade de MATBG adicionada na extremidade. Para contatar o MATBG, a equipe gravou‑o de forma muito precisa, expondo um lado do MATBG recém‑cortado, ao qual o alumínio foi depositado para “fazer um bom contato e formar um condutor de alumínio”, que foi conectado ao maior ressonador de micro‑ondas de alumínio.

A equipe enviou um sinal de micro‑ondas através desse ressonador, mediu o deslocamento resultante em sua frequência de ressonância e deduziu a indutância cinética do MATBG. Ao converter a indutância medida em um valor de rigidez superfluida, a equipe descobriu que era muito maior do que as teorias de supercondutividade convencional teriam previsto.

“Observamos um aumento de dez vezes na rigidez superfluida em comparação com as expectativas convencionais, com uma dependência de temperatura consistente com o que a teoria da geometria quântica prevê,” disse a coautora Miuko Tanaka. “Isso foi uma ‘prova contundente’ que apontou para o papel da geometria quântica na governança da rigidez superfluida neste material bidimensional.”

Investindo em Tecnologia Supercondutora

American Superconductor Corporation (AMSC ) é uma empresa de tecnologia energética que fabrica sistemas avançados de supercondutores. Ela se concentra na comercialização de tecnologias supercondutoras existentes e em sua aplicação em redes elétricas e aplicações navais do mundo real.

A AMSC é um fornecedor líder de soluções de resiliência de energia em escala de megawatts, incluindo Gridtec, Marinetec e Windtec.

Por meio dessas soluções, a empresa fornece sistemas avançados de rede para otimizar o desempenho, a eficiência e a confiabilidade da rede, soluções de propulsão e gerenciamento de energia para melhorar a qualidade da energia e a segurança operacional, e controles eletrônicos e sistemas para turbinas eólicas.

A AMSC tem capitalização de mercado de US$ 1,66 bilhão, cujas ações, ao momento da escrita, estão sendo negociadas a US$ 36,97, alta de 49,86% no ano. No mês passado, o preço das ações atingiu um pico de US$ 70,49, mas caiu significativamente desde então. Essa queda massiva de 47,5% em menos de um mês resultou da AMSC não atingir as metas de vendas de Wall Street.

Na semana passada, a empresa relatou sua receita do segundo trimestre fiscal de 2025, que aumentou de US$ 54,5 milhões no 2T23 para US$ 65,9 milhões. Seu lucro líquido foi de US$ 4,8 milhões, ou US$ 0,11 por ação. Em 30 de setembro de 2025, a AMSC possuía US$ 218,8 milhões em caixa, equivalentes de caixa e caixa restrito, comparado com US$ 85,4 milhões no final de março.

Falando sobre o crescimento de 20% ano a ano na receita, margens brutas superiores a 30% e a geração de quase US$ 5 milhões em lucro líquido, marcando o quinto trimestre consecutivo de lucratividade, o CEO Daniel P. McGahn disse que isso foi impulsionado por “forta demanda de pedidos nos mercados de energia e militar, apoiada por ventos favoráveis na manufatura doméstica e necessidades de energia confiável em setores‑chave.”

Para o terceiro trimestre, a AMSC espera receitas na faixa de US$ 65 milhões a US$ 70 milhões e lucro líquido superior a US$ 2 milhões, ou US$ 0,05 por ação.

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Conclusão

A supercondutividade é um dos conceitos mais transformadores da física moderna, com grande influência na eficiência energética, computação e ciência dos materiais. O trabalho da equipe do MIT com o grafeno trilayer torcido de ângulo mágico (MATTG) representa um avanço crucial na descoberta de como a supercondutividade pode surgir por meio de mecanismos não convencionais.

Essas descobertas também podem nos ajudar a projetar materiais que alcancem a supercondutividade à temperatura ambiente, o tão buscado “Santo Graal”. Se realizadas, esses materiais poderiam revolucionar tudo, desde transporte elétrico até data centers e computadores quânticos, trazendo uma nova era de possibilidades tecnológicas.

Referências

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Park, J. M., Sun, S., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Jarillo‑Herrero, P. Evidência experimental de lacuna supercondutora nodal em grafeno moiré. Science (2025). https://doi.org/10.1126/science.adv8376
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