p (PhysOrg.com) - Ao estudar três camadas de grafeno - folhas de átomos de carbono agrupados em favo de mel - empilhados de uma maneira particular, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA descobriram um "pequeno universo" povoado por um novo tipo de "quasipartículas" - excitações de carga elétrica semelhantes a partículas. Ao contrário das quasipartículas semelhantes a fótons sem massa no grafeno de camada única, essas novas quasipartículas têm massa, que depende de sua energia (ou velocidade), e se tornaria infinitamente massivo em repouso. p Esse acúmulo de massa em baixas energias significa este sistema de grafeno de três camadas, se magnetizado por incorporação em uma heteroestrutura com material magnético, poderia potencialmente gerar uma densidade muito maior de portadores de carga polarizados por spin do que o grafeno de camada única - tornando-o muito atraente para uma nova classe de dispositivos baseados no controle não apenas da carga elétrica, mas também do spin, comumente conhecido como spintrônica.

p “Nossa pesquisa mostra que essas quasipartículas muito incomuns, previsto pela teoria, realmente existem no grafeno de três camadas, e que governam propriedades como a forma como o material se comporta em um campo magnético - uma propriedade que poderia ser usada para controlar dispositivos eletrônicos baseados em grafeno, ”Disse o físico de Brookhaven Igor Zaliznyak, que liderou a equipe de pesquisa. Seu trabalho medindo propriedades de grafeno de três camadas como um primeiro passo para a engenharia de tais dispositivos foi publicado online em Física da Natureza em 25 de setembro, 2011

p O grafeno tem sido objeto de intensa pesquisa desde sua descoberta em 2004, em particular por causa do comportamento incomum de seus elétrons, que fluem livremente pelo plano, folhas de camada única da substância. O empilhamento de camadas muda a forma como os elétrons fluem:empilhamento de duas camadas, por exemplo, fornece uma pausa "ajustável" nos níveis de energia que os elétrons podem ocupar, dando aos cientistas uma maneira de ligar e desligar a corrente. Isso abre a possibilidade de incorporar a substância barata em novos tipos de eletrônicos.

p Com três camadas, a situação fica mais complicada, cientistas descobriram, mas também potencialmente mais poderoso.

p Uma variável importante é a maneira como as camadas são empilhadas:em sistemas "ABA", os átomos de carbono que constituem os anéis do favo de mel estão diretamente alinhados nas camadas superior e inferior (A), enquanto aqueles na camada do meio (B) são deslocados; em variantes “ABC”, os favos de mel em cada camada empilhada são deslocados, subindo, camada por camada, como uma escada. Até aqui, O empilhamento ABC parece dar origem a comportamentos mais interessantes - como os que são o objeto do presente estudo.

p Para este estudo, os cientistas criaram o grafeno de três camadas no Center for Functional Nanomaterials (CFN) do Brookhaven Lab, descascando-o do grafite, a forma de carbono encontrada na grafite de lápis. Eles usaram microscopia microRaman para mapear as amostras e identificar aquelas com três camadas empilhadas no arranjo ABC. Em seguida, eles usaram as ferramentas de nanolitografia do CFN, incluindo moagem de feixe de íons, para moldar as amostras de uma maneira particular, de modo que possam ser conectadas a eletrodos para medições.

p No National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) em Tallahassee, Flórida, os cientistas então estudaram as propriedades eletrônicas do material - especificamente o efeito de um campo magnético externo no transporte de carga eletrônica como uma função da densidade do portador de carga, Força do campo magnético, e temperatura.

p “Em última análise, o sucesso deste projeto contou com trabalho árduo e raras proezas experimentais de jovens pesquisadores talentosos com os quais nos engajamos nesses estudos, em particular, Liyuan Zhang, que na época era pesquisador associado em Brookhaven, e Yan Zhang, em seguida, um estudante de graduação da Stony Brook University, ”Disse Igor Zaliznyak.

p As medições fornecem a primeira evidência experimental da existência de um tipo particular de quase-partícula, ou excitação eletrônica que atua como uma partícula e serve como um portador de carga no sistema de grafeno de três camadas. Essas quasipartículas particulares, que foram previstos por estudos teóricos, têm massa mal definida - isto é, eles se comportam como se tivessem uma gama de massas - e essas massas divergem à medida que o nível de energia diminui, com quasipartículas se tornando infinitamente massivas.

p Normalmente, tais partículas seriam instáveis ​​e não poderiam existir devido a interações com pares de partículas-buraco virtuais - semelhantes a pares virtuais de elétrons e pósitrons com carga oposta, que se aniquilam quando interagem. Mas uma propriedade das quasipartículas chamada quiralidade, que está relacionado a um sabor especial de spin em sistemas de grafeno, evita que as quasipartículas sejam destruídas por essas interações. Portanto, essas partículas exóticas infinitamente massivas podem existir.

p “Esses resultados fornecem validação experimental para o grande corpo de trabalhos teóricos recentes sobre grafeno, e descobrir novas possibilidades interessantes para estudos futuros que visam usar as propriedades exóticas dessas quasipartículas, ”Zaliznyak disse.

p Por exemplo, combinar materiais magnéticos com grafeno de três camadas poderia alinhar os spins das quasipartículas portadoras de carga. “Acreditamos que tais heteroestruturas magnéticas de grafeno com portadores de carga polarizados de spin podem levar a avanços reais no campo da spintrônica, ”Zaliznyak disse.