Físicos criam superestrada de cinco pistas para elétrons

Representação artística da superestrada para elétrons que pode ocorrer no grafeno romboédrico, um tipo especial de grafite (grafite de lápis). Crédito:Sampson Wilcox, Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT

Físicos e colegas do MIT criaram uma superestrada de cinco pistas para elétrons que poderia permitir eletrônica ultraeficiente e muito mais. O trabalho, publicado na edição de 9 de maio da Science , é uma das várias descobertas importantes da mesma equipe no ano passado envolvendo um material que é essencialmente uma forma única de grafite de lápis.

“Esta descoberta tem implicações diretas para dispositivos eletrônicos de baixa potência porque nenhuma energia é perdida durante a propagação dos elétrons, o que não é o caso em materiais regulares onde os elétrons estão espalhados”, diz Long Ju, professor assistente no Departamento de Ciência do MIT. Física e autor correspondente do artigo.

O fenômeno é semelhante aos carros que trafegam por uma rodovia aberta, em oposição aos que circulam pelos bairros. Os carros da vizinhança podem ser parados ou desacelerados por outros motoristas que fazem paradas abruptas ou inversões de marcha que atrapalham um deslocamento que de outra forma seria tranquilo.

Um novo material

O material por trás deste trabalho, conhecido como grafeno pentacamada romboédrico, foi descoberto há dois anos por físicos liderados por Ju. “Encontramos uma mina de ouro e cada furo revela algo novo”, diz Ju, que também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT.

Em uma Nanotecnologia da Natureza artigo em outubro passado, Ju e colegas relataram a descoberta de três propriedades importantes decorrentes do grafeno romboédrico. Por exemplo, eles mostraram que poderia ser topológico ou permitir o movimento desimpedido dos elétrons ao redor da borda do material, mas não através do meio. Isso resultou em uma superestrada, mas exigiu a aplicação de um grande campo magnético algumas dezenas de milhares de vezes mais forte que o campo magnético da Terra.

No trabalho atual, a equipe relata a criação da superestrada sem qualquer campo magnético.

Tonghang Han, estudante de pós-graduação em física do MIT, é co-autor do artigo. “Não somos os primeiros a descobrir esse fenômeno geral, mas fizemos isso em um sistema muito diferente. E comparado aos sistemas anteriores, o nosso é mais simples e também suporta mais canais de elétrons”, explica Ju. "Outros materiais só podem suportar uma faixa de tráfego na borda do material. De repente, aumentamos para cinco."

Outros co-autores do artigo que contribuíram igualmente para o trabalho são Zhengguang Lu e Yuxuan Yao. Lu é pós-doutorando associado no Laboratório de Pesquisa de Materiais. Yao conduziu o trabalho como estudante visitante de graduação na Universidade de Tsinghua. Outros autores são o professor de física Liang Fu do MIT; Jixiang Yang e Junseok Seo, ambos estudantes de pós-graduação em física do MIT; Chiho Yoon e Fan Zhang, da Universidade do Texas em Dallas; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.

Os físicos do MIT criaram uma superestrada de cinco pistas para os elétrons. Aqui estão seis dos pesquisadores do laboratório. Eles são, da esquerda para a direita, os estudantes de pós-graduação Jixiang Yang, Junseok Seo e Tonghang Han; visitando o estudante de graduação Yuxuan Yao; Professor assistente Long Ju e pós-doutorado Zhengguang Lu. Crédito:Shenyong Ye, MIT

Como funciona

A grafite, ou grafite, é composta de grafeno, uma única camada de átomos de carbono dispostos em hexágonos que lembram uma estrutura em favo de mel. O grafeno romboédrico é composto por cinco camadas de grafeno empilhadas em uma ordem específica de sobreposição.

Ju e colegas isolaram o grafeno romboédrico graças a um novo microscópio que Ju construiu no MIT em 2021, que pode determinar de forma rápida e relativamente barata uma variedade de características importantes de um material em nanoescala. O grafeno empilhado romboédrico de pentacamada tem apenas alguns bilionésimos de metro de espessura.

No trabalho atual, a equipe mexeu no sistema original, adicionando uma camada de dissulfeto de tungstênio (WS₂ ). "A interação entre o WS₂ e o grafeno romboédrico pentacamada resultou nesta superestrada de cinco pistas que opera com campo magnético zero", diz Ju.

Comparação com supercondutividade

O fenômeno que o grupo Ju descobriu no grafeno romboédrico, que permite que os elétrons viajem sem resistência em um campo magnético zero, é conhecido como efeito Hall anômalo quântico. A maioria das pessoas está mais familiarizada com a supercondutividade, um fenômeno completamente diferente que faz a mesma coisa, mas acontece em materiais muito diferentes.

Ju observa que, embora os supercondutores tenham sido descobertos na década de 1910, foram necessários cerca de 100 anos de pesquisa para fazer com que o sistema funcionasse nas temperaturas mais altas necessárias para as aplicações. “E o recorde mundial ainda está bem abaixo da temperatura ambiente”, observa.

Da mesma forma, a superestrada romboédrica de grafeno opera atualmente a cerca de 2 Kelvin, ou -456 Fahrenheit. “Será necessário muito esforço para elevar a temperatura, mas como físicos, o nosso trabalho é fornecer a visão; uma forma diferente de concretizar este [fenómeno]”, diz Ju.

As descobertas envolvendo o grafeno romboédrico vieram como resultado de uma pesquisa meticulosa que não tinha garantia de funcionar. "Tentamos muitas receitas ao longo de muitos meses", diz Han, "então foi muito emocionante quando resfriamos o sistema a uma temperatura muito baixa e [uma superestrada de cinco pistas operando com campo magnético zero] simplesmente apareceu."

Ju disse:“É muito emocionante ser o primeiro a descobrir um fenômeno em um novo sistema, especialmente em um material que descobrimos”.

Mais informações: Tonghang Han et al, Grande efeito Hall anômalo quântico em grafeno romboédrico próximo à órbita de rotação, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk9749
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza , Ciência

Fornecido pelo Laboratório de Pesquisa de Materiais, Instituto de Tecnologia de Massachusetts

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