Um material composto de duas camadas de carbono com a espessura de um átomo chamou a atenção de físicos em todo o mundo por suas intrigantes - e potencialmente exploráveis ​​- propriedades condutoras.

Dr. Fan Zhang, professor assistente de física na Escola de Ciências Naturais e Matemática da Universidade do Texas em Dallas, e o estudante de doutorado em física Qiyue Wang publicou um artigo em junho com o grupo do Dr. Fengnian Xia na Universidade de Yale em Nature Photonics que descreve como a capacidade do grafeno de dupla camada torcida de conduzir mudanças de corrente elétrica em resposta à luz infravermelha média.

De uma para duas camadas

O grafeno é uma única camada de átomos de carbono dispostos em um padrão plano de favo de mel, onde cada hexágono é formado por seis átomos de carbono em seus vértices. Desde o primeiro isolamento do grafeno em 2004, suas propriedades únicas foram intensamente estudadas por cientistas para uso potencial em computadores avançados, materiais e dispositivos.

Se duas folhas de grafeno forem empilhadas uma em cima da outra, e uma camada é girada de modo que as camadas fiquem ligeiramente fora de alinhamento, a configuração física resultante, chamado de grafeno bicamada torcida, produz propriedades eletrônicas que diferem significativamente daquelas exibidas por uma única camada sozinha ou por duas camadas alinhadas.

"O grafeno tem sido de interesse por cerca de 15 anos, "Zhang disse." Uma única camada é interessante de estudar, mas se tivermos duas camadas, sua interação deve tornar a física muito mais rica e interessante. É por isso que queremos estudar sistemas de grafeno de duas camadas. "

Um novo campo surge

Quando as camadas de grafeno estão desalinhadas, surge um novo design periódico na malha, chamado de padrão moiré. O padrão moiré também é um hexágono, mas pode ser feito de mais de 10, 000 átomos de carbono.

"O ângulo em que as duas camadas de grafeno estão desalinhadas - o ângulo de torção - é extremamente importante para as propriedades eletrônicas do material, "Disse Wang." Quanto menor o ângulo de torção, quanto maior a periodicidade do moiré. "

Os efeitos incomuns de ângulos de torção específicos no comportamento do elétron foram propostos pela primeira vez em um artigo de 2011 pelo Dr. Allan MacDonald, professor de física da UT Austin, e Dr. Rafi Bistritzer. Zhang testemunhou o nascimento deste campo como estudante de doutorado no grupo MacDonald's.

"Naquela hora, outros realmente não prestaram atenção à teoria, mas agora se tornou indiscutivelmente o tópico mais quente da física, "Disse Zhang.

Naquela pesquisa de 2011, MacDonald e Bistritzer previram que a energia cinética dos elétrons pode desaparecer em uma bicamada de grafeno desalinhada pelo chamado "ângulo mágico" de 1,1 graus. Em 2018, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts provaram essa teoria, descobrir que o deslocamento de duas camadas de grafeno em 1,1 graus produziu um supercondutor bidimensional, um material que conduz corrente elétrica sem resistência e sem perda de energia.

Em um artigo de 2019 na Science Advances, Zhang e Wang, junto com o grupo da Dra. Jeanie Lau na Universidade Estadual de Ohio, mostrou que, quando deslocado em 0,93 graus, o grafeno de dupla camada torcida exibe os estados supercondutor e isolante, alargando assim o ângulo mágico significativamente.

"Em nosso trabalho anterior, vimos supercondutividade e também isolamento. Isso é o que torna o estudo do grafeno de camada dupla torcida um campo tão quente - a supercondutividade. O fato de você poder manipular carbono puro para superconduzir é incrível e sem precedentes, "Disse Wang.

Novos resultados do UT Dallas

Em sua pesquisa mais recente na Nature Photonics, Zhang e seus colaboradores em Yale investigaram se e como o grafeno de dupla camada torcida interage com a luz infravermelha média, que os humanos não podem ver, mas podem detectar como calor.

"As interações entre a luz e a matéria são úteis em muitos dispositivos - por exemplo, convertendo a luz do sol em energia elétrica, "Disse Wang." Quase todo objeto emite luz infravermelha, incluindo pessoas, e essa luz pode ser detectada com dispositivos. "

Zhang é um físico teórico, então, ele e Wang começaram a determinar como a luz infravermelha média poderia afetar a condutância dos elétrons no grafeno de dupla camada torcida. Seu trabalho envolveu o cálculo da absorção de luz com base na estrutura de banda do padrão moiré, um conceito que determina como os elétrons se movem mecanicamente em um material quântico.

"O grafeno tem sido de interesse por cerca de 15 anos. Uma única camada é interessante para estudar, mas se tivermos duas camadas, sua interação deve tornar a física muito mais rica e interessante. É por isso que queremos estudar sistemas de grafeno de duas camadas, " ele diz.

"Existem maneiras padrão de calcular a estrutura de banda e a absorção de luz em um cristal regular, mas este é um cristal artificial, então tivemos que criar um novo método, "Disse Wang. Usando recursos do Texas Advanced Computing Center, uma instalação de supercomputador no campus da UT Austin, Wang calculou a estrutura da banda e mostrou como o material absorve luz.

O grupo de Yale fabricou dispositivos e fez experimentos mostrando que a fotorresposta no infravermelho médio - o aumento na condutância devido ao brilho da luz - era excepcionalmente forte e maior no ângulo de torção de 1,8 graus. A forte resposta fotorresposta desapareceu para um ângulo de torção inferior a 0,5 graus.

"Nossos resultados teóricos não apenas combinaram bem com os resultados experimentais, mas também apontou para um mecanismo que está fundamentalmente ligado ao período do padrão moiré, que por si só está conectado ao ângulo de torção entre as duas camadas de grafeno, "Disse Zhang.

Próxima Etapa

"O ângulo de torção é claramente muito importante para determinar as propriedades do grafeno de dupla camada torcida, "Zhang acrescentou." Surge a pergunta:podemos aplicar isso para ajustar outros materiais bidimensionais para obter recursos sem precedentes? Também, podemos combinar a fotorresposta e a supercondutividade no grafeno de dupla camada torcida? Por exemplo, O brilho de uma luz pode induzir ou de alguma forma modular a supercondutividade? Isso vai ser muito interessante de estudar. "

"Esta nova descoberta habilitará potencialmente uma nova classe de detectores infravermelhos baseados em grafeno com alta sensibilidade, "disse o Dr. Joe Qiu, gerente de programa para eletrônica de estado sólido e eletromagnetismo no U.S. Army Research Office (ARO), um elemento do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA. "Esses novos detectores terão um impacto potencial em aplicações como visão noturna, que é de importância crítica para o Exército dos EUA. "