Pesquisadores do NIST que estudam camadas torcidas de grafeno revelaram uma “régua quântica” para estudar as propriedades únicas do material. A folha de carbono com a espessura de um átomo conhecida como grafeno tem propriedades extraordinárias por si só. No entanto, as coisas ficam ainda mais interessantes se você empilhar vários flocos desse material 2D. Quando duas ou mais folhas de grafeno são empilhadas juntas e ficam desalinhadas - torcidas em um ângulo uma em relação à outra - elas assumem uma série de propriedades estranhas.

A ilustração mostra duas camadas de grafeno (duas bicamadas) usadas pela equipe do NIST em experimentos para estudar algumas das propriedades exóticas dos materiais quânticos moiré. A inserção à esquerda é uma vista superior de duas seções de grafeno de bicamada, mostrando os padrões moiré que se formam quando um grafeno de bicamada é torcido em um pequeno ângulo em relação ao outro grafeno de bicamada. Fonte: B. Hayes/NIST

Dependendo do ângulo de torção, esses materiais, conhecidos como matéria quântica molar, podem de repente gerar seus próprios campos magnéticos, tornar-se supercondutores com resistência zero ou, inversamente, tornar-se isolantes perfeitos.

Joseph A. Stroscio e seus colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e uma colaboração internacional desenvolveram uma “régua quântica” para medir e explorar as propriedades bizarras desses materiais retorcidos. O trabalho também poderia levar a um novo padrão de resistência miniaturizado que poderia calibrar dispositivos eletrônicos diretamente no chão de fábrica, em vez de enviá-los para um laboratório de padrões externo.

Fereshte Ghahari, físico da Universidade George Mason em Fairfax, Virgínia, e coautor do estudo, criou um dispositivo de matéria quântica molar usando duas camadas de grafeno com cerca de 20 mícrons de diâmetro (chamado grafeno bicamada), torcidas em relação às outras duas camadas de grafeno. Gahari construiu o dispositivo usando instalações de nanofabricação no Centro NIST de Nanociência e Tecnologia.

Os pesquisadores do NIST Marlou Slot e Yulia Maximenko então resfriaram o dispositivo de material torcido a um por cento acima do zero absoluto, reduzindo o movimento aleatório de átomos e elétrons e melhorando a capacidade de interação dos elétrons no material. Depois de atingir temperaturas ultrabaixas, eles estudaram como os níveis de energia dos elétrons na camada de grafeno mudavam quando a força de um forte campo magnético externo mudava. Medir e manipular os níveis de energia dos elétrons é fundamental para projetar e fabricar dispositivos semicondutores.

Esta visão ampliada de um ponto em um material quântico moiré mostra os níveis de energia dos elétrons em forma de escada (pontos vermelhos e azuis à direita). O fundo da escada lembra um gráfico de energia, sugerindo que os níveis de energia medidos podem servir como uma espécie de régua quântica para determinar as propriedades elétricas e magnéticas dos materiais. Fonte: NIST/B. Hayes

Movimento de elétrons e níveis de energia

Para medir os níveis de energia, a equipe usou um microscópio versátil de tunelamento que Strisio projetou e construiu no NIST. Quando os pesquisadores aplicaram uma voltagem à bicamada de grafeno em um campo magnético, o microscópio registrou minúsculas correntes elétricas produzidas pelos elétrons que "encaixavam um túnel" do material até a ponta da sonda do microscópio.

Num campo magnético, os elétrons se movem em trajetórias circulares. Normalmente, as órbitas circulares dos elétrons em materiais sólidos têm uma relação especial com o campo magnético externo: devido às propriedades quânticas dos elétrons, a área delimitada por cada órbita circular multiplicada pelo campo magnético externo só pode obter um conjunto fixo de valores discretos. Para manter um produto fixo, se o campo magnético for dividido pela metade, a área delimitada pela órbita do elétron deve ser duplicada.

A diferença de energia entre níveis de energia sucessivos que seguem esta regra, como as marcas de uma régua, pode ser usada para medir as propriedades eletrônicas e magnéticas de um material. Qualquer ligeiro desvio deste padrão representa uma nova régua quântica que reflete as propriedades magnéticas orbitais do material moiré quântico específico que os pesquisadores estão estudando.

Descoberta e Impacto

Na verdade, quando os investigadores do NIST variaram o campo magnético aplicado a uma bicamada moiré de grafeno, encontraram evidências da nova régua quântica em funcionamento. A área delimitada pela órbita circular do elétron vezes o campo magnético externo não é mais igual a um valor fixo. Em vez disso, o produto destes dois números é deslocado por uma quantidade que depende da magnetização da bicamada de grafite.

Este desvio se traduz em um conjunto diferente de marcas para os níveis de energia do elétron. Espera-se que as descobertas lancem uma nova luz sobre como os elétrons confinados em folhas torcidas de grafeno criam novas propriedades magnéticas.

“Usando a nova régua quântica para estudar como as órbitas circulares mudam com os campos magnéticos, esperamos revelar as propriedades magnéticas sutis desses materiais quânticos moiré”, disse Stricio.


Os elétrons em materiais molares quânticos são aprisionados por um potencial elétrico que tem o formato de uma caixa de ovos; os elétrons estão concentrados nos vales (estados de energia mais baixos) da caixa de ovos. Fonte: S. Kelley/NIST

Em materiais quânticos molares, os elétrons têm uma gama de energias possíveis – altas e baixas, em forma de caixa de ovos – que são determinadas pelo campo elétrico do material. Os elétrons estão concentrados nos estados de baixa energia, ou vales, da caixa. O físico teórico do NIST, Paul Haney, disse que o grande espaçamento entre os vales no grafeno de camada dupla, que é maior do que o espaçamento entre os átomos em qualquer grafeno de camada única ou grafeno multicamadas não torcido, é responsável por parte do magnetismo incomum que a equipe encontrou.

Os pesquisadores, incluindo colegas da Universidade de Maryland, College Park e do Joint Quantum Institute, um instituto de pesquisa colaborativo entre o NIST e a Universidade de Maryland, descrevem seu trabalho na revista Science.

Perspectivas e aplicações futuras

Como as propriedades dos moles da matéria quântica podem ser alcançadas escolhendo ângulos de torção específicos e o número de camadas atômicas finas, espera-se que as novas medições forneçam uma compreensão mais profunda de como os cientistas podem adaptar e otimizar as propriedades magnéticas e eletrônicas dos materiais quânticos para atender às necessidades de uma ampla gama de aplicações em microeletrônica e campos relacionados. Por exemplo, os supercondutores ultrafinos são conhecidos por serem detectores de fóton único muito sensíveis, e os supercondutores moiré quânticos estão entre os supercondutores mais finos.

A equipe do NIST também está interessada em outra aplicação: nas condições certas, os moles de matéria quântica poderiam fornecer um padrão novo e mais fácil de usar para resistência elétrica.

O padrão atual é baseado no valor discreto da resistência de um material quando os elétrons em uma camada bidimensional são submetidos a um forte campo magnético. Este fenômeno é chamado de efeito Hall quântico e surge dos níveis de energia quantizados dos elétrons em órbitas circulares discutidos acima. Valores discretos de resistência podem ser usados ​​para calibrar a resistência em uma variedade de dispositivos elétricos. No entanto, devido aos poderosos campos magnéticos necessários, a calibração só pode ser realizada em instalações de metrologia como o NIST.

Se os pesquisadores puderem manipular a matéria molar quântica para que ela produza magnetização líquida sem um campo magnético externo, pode ser possível usá-la para criar um novo padrão de resistência portátil e mais preciso, conhecido como padrão de resistência quântica anômala de Hall, disse Striscio. A calibração de equipamentos eletrônicos pode ser feita no local de fabricação, economizando milhões de dólares.