Grafeno não dopado não é um metal, semicondutor, ou isolante, mas um semimetal, cujas propriedades incomuns incluem interações elétron-elétron entre partículas amplamente separadas na estrutura em favo de mel do grafeno - aqui sugerido por uma impressão artística dos diagramas de Feynman freqüentemente usados para rastrear tais interações. As interações ocorrem apenas em distâncias muito curtas em metais comuns. A interação de longo alcance altera o caráter fundamental dos portadores de carga no grafeno. Crédito:Imagem de Caitlin Youngquist, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley
Grafeno, uma folha de carbono com apenas um único átomo de espessura, foi um objeto de especulação teórica muito antes de ser realmente feito. A teoria prevê propriedades extraordinárias para o grafeno, mas testar as previsões em relação aos resultados experimentais costuma ser um desafio.
Agora, os pesquisadores que usam a Fonte de Luz Avançada (ALS) no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) deram um passo importante para confirmar que o grafeno é tão incomum quanto o esperado - talvez até mais.
"O grafeno não é um semicondutor, não é um isolante, e não um metal, "diz David Siegel, o autor principal de um artigo no Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) relatando os resultados da equipe de pesquisa. "É um tipo especial de semimetal, com propriedades eletrônicas que são ainda mais interessantes do que se poderia suspeitar à primeira vista. "
Siegel é um estudante graduado na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab (MSD) e membro do grupo de Alessandra Lanzara no Departamento de Física da Universidade da Califórnia em Berkeley. Ele e seus colegas usaram a linha de luz ALS 12.0.1 para sondar uma amostra especialmente preparada de grafeno com ARPES (espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido), a fim de observar como o grafeno não dopado - o material intrínseco sem portadores de carga extra - se comporta perto dos chamados "Ponto de Dirac."
Cones de Dirac de grafeno são frequentemente desenhados com lados retos (à esquerda), indicando um aumento suave na energia, mas um espectro ARPES perto do ponto de Dirac de grafeno não dopado (esboçado em vermelho à direita) exibe uma curvatura interna distinta, indicando interações eletrônicas ocorrendo em intervalos cada vez mais longos e levando a velocidades de elétrons maiores - uma das maneiras em que a eletrônica do grafeno semimetálico difere da de um metal. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Berkeley
O ponto de Dirac é uma característica única da estrutura de bandas do grafeno. Ao contrário da estrutura de banda dos semicondutores, por exemplo, o grafeno não tem intervalo de banda - nenhum intervalo de energia entre a banda de valência preenchida com elétrons e a banda de condução desocupada. No grafeno, essas bandas são representadas por dois cones ("cones Dirac") cujos pontos se tocam, cruzando linearmente no ponto de Dirac. Quando a banda de valência do grafeno está completamente preenchida e a banda de condução está completamente vazia, o grafeno pode ser considerado "não dopado" ou "neutro de carga, "e é aqui que algumas das propriedades interessantes do grafeno podem ser observadas.
Um experimento ARPES mede nitidamente uma fatia através dos cones, plotando diretamente a energia cinética e o ângulo dos elétrons que voam para fora da amostra de grafeno quando são excitados por um feixe de raios-X do ALS. Um espectro se desenvolve à medida que esses elétrons emitidos atingem a tela do detector, gradualmente construindo uma imagem do cone.
A forma como os elétrons interagem no grafeno não dopado é marcadamente diferente daquela de um metal:os lados do cone (ou pernas do X, em um espectro ARPES) desenvolver uma curvatura interna distinta, indicando que as interações eletrônicas estão ocorrendo em intervalos cada vez mais longos - distâncias de até 790 angstroms - e levam a velocidades de elétrons maiores. Estas são manifestações incomuns, nunca visto antes, de um fenômeno generalizado chamado "renormalização".
Experiência versus teoria
Para entender o significado das descobertas da equipe, isso ajuda a começar com sua configuração experimental. Idealmente, medições de grafeno não dopado seriam feitas com uma folha suspensa de grafeno independente. Mas muitos experimentos não podem ser feitos a menos que o alvo esteja apoiado em um substrato sólido, o que pode influenciar as propriedades eletrônicas da camada na superfície e interferir no experimento.
Então Siegel e seus colegas decidiram investigar um tipo especial de grafeno "quase autônomo", começando com um substrato de carboneto de silício. Quando aquecido, o silício é expulso do carboneto de silício e o carbono se acumula na superfície como uma camada relativamente espessa de grafite (o tipo de carbono na grafite). Mas as camadas adjacentes de grafeno na amostra de grafite espessa são giradas em relação uma à outra, para que cada camada da pilha se comporte como uma única camada isolada.
"Na física do estado sólido, uma das questões mais fundamentais que se pode fazer sobre um material é a natureza de seus portadores de carga, "Siegel diz." Para metais comuns, a resposta pode ser descrita pela mais poderosa teoria dos sólidos, conhecido como teoria Fermi-líquido de Landau, "em homenagem ao físico soviético Lev Landau e ao físico italiano e naturalizado americano Enrico Fermi.
Enquanto os elétrons individuais carregam - a corrente elétrica em um fio de cobre, por exemplo - mesmo em um metal, eles não podem ser totalmente entendidos como simples, partículas independentes. Porque eles estão constantemente interagindo com outras partículas, os efeitos das interações devem ser incluídos; elétrons e interações juntos podem ser considerados como "quasipartículas, "que se comportam muito como elétrons livres, mas com diferentes massas e velocidades. Essas diferenças são derivadas por meio de um processo matemático chamado renormalização.
O líquido Fermi de Landau é feito de quasipartículas. Além de descrever características de elétrons mais interações, Os líquidos Fermi têm uma série de outras propriedades características, e na maioria dos materiais a teoria geralmente assume a mesma forma. Ele afirma que os portadores de carga são "vestidos" por interações de muitos corpos, que também servem para filtrar elétrons e prevenir ou reduzir suas interações de longa distância.
"Uma vez que as propriedades de tantos materiais são praticamente as mesmas de uma forma generalizada, os físicos estão sempre interessados em encontrar sistemas que sejam diferentes de um líquido Fermi normal, "diz Siegel." É isso que torna nossos resultados tão empolgantes. O grafeno não dopado realmente difere do que esperamos de um líquido Fermi normal, e nossos resultados estão de acordo com os cálculos teóricos. "
Talvez o exemplo mais vívido da diferença seja a interação de longo alcance entre os elétrons no grafeno semimetálico, interações que seriam filtradas em um metal normal. Siegel admite que pode haver controvérsia contínua sobre como exatamente o grafeno deve se comportar, "mas nosso principal resultado é que confirmamos a presença desses não rastreados, interações de longo alcance, que mudam o comportamento das quasipartículas no grafeno de uma forma fundamental. "
