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  • Medidas de entropia revelam efeito exótico no grafeno de ângulo mágico
    p Efeito Pomeranchuk em grafeno de ângulo mágico, revelando uma transição exótica entre duas fases:A (Fermi) fase líquida, onde as posições espaciais dos elétrons são desordenadas, mas seus momentos magnéticos (setas) estão perfeitamente alinhados, e uma fase de tipo sólido onde os elétrons são ordenados no espaço, mas seus momentos magnéticos estão flutuando livremente. Contra-intuitivamente, a fase líquida transforma-se na fase de tipo sólido após aquecimento. Crédito:Weizmann Institute of Science

    p A maioria dos materiais passa de sólidos para líquidos quando são aquecidos. Um contra-exemplo raro é o hélio-3, que pode solidificar com o aquecimento. Este efeito contra-intuitivo e exótico, conhecido como efeito Pomeranchuk, pode agora ter encontrado seu análogo eletrônico em um material conhecido como grafeno de ângulo mágico, diz uma equipe de pesquisadores do Instituto de Ciência Weizmann liderada pelo Prof. Shahal Ilani, em colaboração com o grupo do Prof. Pablo Jarillo-Herrero no Massachusetts Institute of Technology (MIT). p Este resultado, publicado hoje em Natureza , vem graças à primeira medição de entropia eletrônica em um material bidimensional atomicamente fino. "A entropia descreve o nível de desordem em um material e determina qual de suas fases é estável em diferentes temperaturas, "explica Ilani." Nossa equipe se preparou para medir a entropia eletrônica no grafeno de ângulo mágico para resolver alguns de seus mistérios pendentes, mas descobriu outra surpresa. "

    p Entropia magnética gigante

    p A entropia é uma quantidade física básica que não é fácil de entender ou medir diretamente. Em baixas temperaturas, a maioria dos graus de liberdade em um material condutor congela, e apenas os elétrons contribuem para a entropia. Em materiais a granel, há uma abundância de elétrons, e assim é possível medir sua capacidade térmica e daí deduzir a entropia. Em um material bidimensional atomicamente fino, devido ao pequeno número de elétrons, tal medição torna-se extremamente desafiadora. Até aqui, nenhum experimento conseguiu medir a entropia em tais sistemas.

    p Para medir a entropia, a equipe de Weizmann usou um microscópio de varredura exclusivo composto por um transistor de elétron único de nanotubo de carbono posicionado na borda de um cantilever de sonda de varredura. Este instrumento pode reproduzir espacialmente a imagem do potencial eletrostático produzido por elétrons em um material, com uma sensibilidade sem precedentes. Com base nas relações de Maxwell que conectam as diferentes propriedades termodinâmicas de um material, pode-se usar essas medições eletrostáticas para sondar diretamente a entropia dos elétrons.

    p "Quando realizamos as medições em campos magnéticos elevados, a entropia parecia absolutamente normal, seguindo o comportamento esperado de um líquido convencional (Fermi) de elétrons, que é o estado mais padrão no qual os elétrons existem em baixas temperaturas. Surpreendentemente, Contudo, em campo magnético zero, os elétrons exibiam entropia em excesso gigante, cuja presença era muito misteriosa ", diz Ilani. Essa entropia gigante surgiu quando o número de elétrons no sistema era cerca de um para cada local da" superrede "artificial formada em grafeno de ângulo mágico.

    p "Superrede" artificial em camadas torcidas de grafeno

    p O grafeno é um cristal de átomos de carbono com a espessura de um átomo arranjado em uma rede hexagonal. Quando duas folhas de grafeno são colocadas uma em cima da outra com uma pequena e especial, ou "mágica, "ângulo de desalinhamento, aparece um padrão moiré periódico que atua como uma "superrede" artificial para os elétrons no material. Os padrões moiré são um efeito popular em tecidos e surgem sempre que uma malha se sobrepõe a outra em um pequeno ângulo.

    p No grafeno de ângulo mágico, os elétrons vêm em quatro sabores:spin 'para cima' ou 'spin' para baixo, "e dois vales." Cada site moiré pode, portanto, conter até quatro elétrons, um de cada sabor.

    p Os pesquisadores já sabiam que esse sistema se comporta como um simples isolante quando todos os sítios moiré estão completamente cheios (quatro elétrons por sítio). Em 2018, Contudo, Prof Jarillo-Herrero e colegas descobriram para sua surpresa que pode ser isolante em outras obturações inteiras (dois ou três elétrons por local moiré), o que só poderia ser explicado se um estado correlacionado de elétrons fosse formado. Contudo, perto de um preenchimento de um elétron por sítio moiré, a grande maioria das medições de transporte indicou que o sistema é bastante simples, comportando-se como um metal comum. É exatamente aqui que as medições de entropia pela equipe Weizmann-MIT encontraram os resultados mais surpreendentes.

    p "Em contraste com o comportamento visto no transporte próximo ao preenchimento de um elétron por local moiré, que é completamente inexpressivo, nossas medições indicaram que termodinamicamente, a transição de fase mais dramática ocorre neste enchimento, "diz o Dr. Asaf Rozen, um autor principal neste trabalho. "Percebemos que perto desse recheio, ao aquecer o material, um líquido Fermi bastante convencional se transforma em um metal correlacionado com uma entropia magnética gigante. Esta entropia gigante (de cerca de 1 constante de Boltzmann por sítio de rede) só poderia ser explicada se cada sítio moiré tivesse um grau de liberdade totalmente livre para flutuar. "

    p Um análogo eletrônico do efeito Pomeranchuk

    p "Este excesso de entropia incomum nos lembrou de um efeito exótico que foi descoberto há cerca de 70 anos no hélio-3, "diz o teórico de Weizmann, Prof. Erez Berg." A maioria dos materiais, quando aquecido, transformar de um sólido em um líquido. Isso ocorre porque um líquido sempre tem mais entropia do que o sólido, já que os átomos se movem mais erraticamente no líquido do que no sólido. "No hélio-3, Contudo, em uma pequena parte do diagrama de fase, o material se comporta de forma completamente oposta, e a fase de temperatura mais alta é o sólido. Esse comportamento, previsto pelo físico teórico soviético Isaak Pomeranchuk na década de 1950, só pode ser explicado pela existência de outra fonte "oculta" de entropia no sistema. No caso do hélio-3, essa entropia vem dos spins nucleares de rotação livre. "Cada átomo tem um spin em seu núcleo (uma 'seta' que pode apontar em qualquer direção), "explica Berg." Em hélio-3 líquido, devido ao princípio de exclusão de Pauli, exatamente metade dos giros deve apontar para cima e a outra metade deve apontar para baixo, portanto, os spins não podem girar livremente. Na fase sólida, Contudo, os átomos são localizados e nunca se aproximam, para que seus spins nucleares possam girar livremente. "

    p "O excesso de entropia gigante que observamos no estado correlacionado com um elétron por sítio moiré é análogo à entropia do hélio-3 sólido, mas em vez de átomos e spins nucleares, no caso do grafeno de ângulo mágico temos elétrons e spins eletrônicos (ou momentos magnéticos de vale), " ele diz.

    p O diagrama de fase magnética

    p Para estabelecer a relação com o efeito Pomeranchuk mais adiante, a equipe realizou medições detalhadas do diagrama de fase. Isso foi feito medindo a "compressibilidade" dos elétrons no sistema, ou seja, como é difícil espremer elétrons adicionais em um determinado local da rede (tal medição foi demonstrada no grafeno de dupla camada torcida no trabalho anterior da equipe). Esta medição revelou duas fases distintas separadas por uma queda acentuada na compressibilidade:uma baixa entropia, fase semelhante a líquido eletrônico, e uma fase sólida de alta entropia com momentos magnéticos livres. Seguindo a queda na compressibilidade, os pesquisadores mapearam a fronteira entre as duas fases em função da temperatura e do campo magnético, demonstrando que o limite de fase se comporta exatamente como esperado do efeito Pomerachuk.

    p "Este novo resultado desafia a nossa compreensão do grafeno do ângulo mágico, "diz Berg." Imaginamos que as fases neste material eram simples - condutor ou isolante, e esperava que em temperaturas tão baixas, todas as flutuações eletrônicas são congeladas. Acontece que não é o caso, como mostra a entropia magnética gigante. "

    p "As novas descobertas fornecerão novos insights sobre a física de sistemas de elétrons fortemente correlacionados e talvez até ajudem a explicar como esses spins flutuantes afetam a supercondutividade, " ele adiciona.

    p Os pesquisadores reconhecem que ainda não sabem explicar o efeito Pomeranchuk no grafeno do ângulo mágico. É exatamente como no hélio-3 em que os elétrons na fase sólida permanecem a uma grande distância uns dos outros, permitindo que seus momentos magnéticos permaneçam completamente livres? "Nós não temos certeza, "admite Ilani, "já que a fase que observamos tem uma 'personalidade de cuspe' - algumas de suas propriedades estão associadas a elétrons itinerantes, enquanto outras só podem ser explicadas pensando nos elétrons como estando localizados em uma rede."


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