Observe os padrões criados à medida que os círculos se movem entre si. Esses padrões, criados por dois conjuntos de linhas deslocadas entre si, são chamados de moiré (pronuncia-se mwar-AY). Como ilusões de ótica, os padrões moiré criam simulações nítidas de movimento. Mas na escala atômica, quando uma folha de átomos dispostos em uma rede é ligeiramente deslocada de outra folha, esses padrões moiré podem criar uma física excitante e importante com propriedades eletrônicas interessantes e incomuns.
Matemáticos da Universidade de Utah descobriram que podem projetar uma variedade de materiais compostos a partir de padrões moiré criados pela rotação e alongamento de uma rede em relação à outra. Suas propriedades elétricas e outras propriedades físicas podem mudar – às vezes de forma bastante abrupta, dependendo se os padrões de moiré resultantes se repetem regularmente ou não. Suas descobertas são publicadas em Communications Physics .

A matemática e a física dessas redes torcidas se aplicam a uma ampla variedade de propriedades dos materiais, diz Kenneth Golden, distinto professor de matemática. “A teoria subjacente também vale para materiais em uma grande variedade de escalas de comprimento, de nanômetros a quilômetros, demonstrando quão amplo é o escopo para potenciais aplicações tecnológicas de nossas descobertas”.

Com um toque

Antes de chegarmos a essas novas descobertas, precisaremos traçar a história de dois conceitos importantes:geometria aperiódica e twistronics.

Geometria aperiódica significa padrões que não se repetem. Um exemplo é o padrão de ladrilhos de Penrose de losangos. Se você desenhar uma caixa ao redor de uma parte do padrão e começar a deslizá-la em qualquer direção, sem girá-la, nunca encontrará uma parte do padrão que corresponda a ela.

Padrões aperiódicos projetados há mais de 1000 anos apareceram em azulejos Girih usados ​​na arquitetura islâmica. Mais recentemente, no início dos anos 80, o cientista de materiais Dan Shechtman descobriu um cristal com uma estrutura atômica aperiódica. Essa cristalografia revolucionou, já que a definição clássica de um cristal inclui apenas padrões atômicos repetidos regularmente, e rendeu a Shechtman o Prêmio Nobel de Química de 2011.

Ok, agora na twistronics, um campo que também tem um Nobel em sua linhagem. Em 2010, Andre Geim e Konstantin Novoselov ganharam o Prêmio Nobel de Física pela descoberta do grafeno, um material feito de uma única camada de átomos de carbono em uma treliça que se parece com um arame. O próprio grafeno tem seu próprio conjunto de propriedades interessantes, mas nos últimos anos os físicos descobriram que quando você empilha duas camadas de grafeno e gira uma levemente, o material resultante se torna um supercondutor que também é extraordinariamente forte. Este campo de estudo das propriedades eletrônicas do grafeno de bicamada torcida é chamado de "twistronics".

Compósitos bifásicos

No novo estudo, Golden e seus colegas imaginaram algo diferente. É como twistronics, mas em vez de duas camadas de átomos, os padrões de moiré formados a partir de treliças interferentes determinam como dois componentes de materiais diferentes, como um bom condutor e um mau condutor, são dispostos geometricamente em um material composto. Eles chamam o novo material de "compósito de bicamada torcida", já que uma das treliças é torcida e/ou esticada em relação à outra. Explorando a matemática de tal material, eles descobriram que os padrões moiré produziam algumas propriedades surpreendentes.

“À medida que o ângulo de torção e os parâmetros de escala variam, esses padrões produzem uma miríade de microgeometrias, com mudanças muito pequenas nos parâmetros causando mudanças muito grandes nas propriedades do material”, diz Ben Murphy, coautor do artigo e professor assistente adjunto de matemática.

Torcer uma treliça apenas dois graus, por exemplo, pode fazer com que os padrões de moiré passem de repetitivos regulares para não repetitivos – e até mesmo pareçam desordenados aleatoriamente, embora todos os padrões não sejam aleatórios. Se o padrão for ordenado e periódico, o material pode conduzir muito bem a corrente elétrica ou não, exibindo um comportamento liga/desliga semelhante aos semicondutores usados ​​em chips de computador. Mas para os padrões aperiódicos e de aparência desordenada, o material pode ser um isolante de esmagamento de corrente, “semelhante à borracha no cabo de uma ferramenta que ajuda a eliminar choques elétricos”, diz David Morison, principal autor do estudo que recentemente terminou seu Ph.D. em Física na Universidade de Utah sob a supervisão de Golden.

Esse tipo de transição abrupta de condutor elétrico para isolante lembrou os pesquisadores de mais uma descoberta ganhadora do Nobel:a transição de localização de Anderson para condutores quânticos. Essa descoberta, que ganhou o Prêmio Nobel de Física de 1977, explica como um elétron pode se mover livremente através de um material (um condutor) ou ficar preso ou localizado (um isolante), usando a matemática da dispersão e interferência de ondas. Mas Golden diz que as equações de ondas quânticas que Anderson usou não funcionam na escala desses compostos de bicamada torcida, então deve haver algo mais acontecendo para criar esse efeito condutor/isolante. “Observamos uma transição de localização orientada pela geometria que não tem nada a ver com dispersão de ondas ou efeitos de interferência, o que é uma descoberta surpreendente e inesperada”, diz Golden.

The electromagnetic properties of these new materials vary so much with just tiny changes in the twist angle that engineers may someday use that variation to precisely tune a material's properties and select, for example, the visible frequencies of light (a.k.a. colors) that the material will allow to pass through and the frequencies it will block.

"Moreover, our mathematical framework applies to tuning other properties of these materials, such as magnetic, diffusive and thermal, as well as optical and electrical," says professor of mathematics and study co-author Elena Cherkaev, "and points toward the possibility of similar behavior in acoustic and other mechanical analogues." + Explorar mais

Researchers enhance charge density waves by moiré engineering in twisted hterostructures