Este topógrafo STM com zoom mostra um dos trímeros de cobalto colocados no grafeno para a criação de potenciais de Coulomb - impurezas carregadas - aos quais elétrons e lacunas poderiam responder. (Imagem cortesia do grupo Crommie)
(Phys.org) - Talvez nenhum outro material esteja gerando tanta empolgação no mundo da eletrônica quanto o grafeno, folhas de carbono puro com apenas um átomo de espessura através das quais os elétrons podem correr quase à velocidade da luz - 100 vezes mais rápido do que se movem através do silício. Super fino, Super forte, superflexível e super rápido como condutor elétrico, o grafeno tem sido apontado como um potencial material maravilhoso para uma série de aplicações eletrônicas, começando com transistores ultrarrápidos. Para que o vasto potencial do grafeno seja totalmente realizado, Contudo, os cientistas devem primeiro aprender mais sobre o que torna o grafeno tão incrível. O último passo nessa direção foi dado por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e da Universidade da Califórnia em Berkeley.
Michael Crommie, um físico que possui nomeações conjuntas com a Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley e com o Departamento de Física da UC Berkeley, liderou um estudo no qual as primeiras observações diretas em comprimentos microscópicos foram registradas de como elétrons e buracos respondem a uma impureza carregada - um único potencial Coulomb - colocado em um dispositivo de grafeno com portas. Os resultados fornecem suporte experimental para a teoria de que as interações entre os elétrons são críticas para as propriedades extraordinárias do grafeno.
“Mostramos que os elétrons no grafeno se comportam de maneira muito diferente em torno de impurezas carregadas do que os elétrons em outros materiais, ”Crommie diz. “Alguns pesquisadores sustentaram que as interações elétron-elétron não são importantes para as propriedades intrínsecas do grafeno, enquanto outros argumentaram que sim. Nossas imagens inéditas de como os elétrons ultrarrelativísticos se reorganizam em resposta a um potencial de Coulomb diminuindo no lado das interações elétron-elétron sendo um fator importante. ”
Crommie é o autor correspondente de um artigo que descreve este estudo publicado na revista Nature Physics. O artigo é intitulado "Mapeando quasipartículas de Dirac perto de uma única impureza de Coulomb no grafeno." Victor Brar, Andrey Shytov, Qiong Wu, William Regan, Hsin-Zon Tsai, Alex Zettl e Leonid Levitov.
As folhas de grafeno são compostas por átomos de carbono dispostos em uma estrutura hexagonalmente padronizada, como um favo de mel. Os elétrons que se movem através dessa rede em forma de favo de mel imitam perfeitamente o comportamento esperado de partículas carregadas altamente relativísticas sem massa:pense em um raio de luz eletricamente carregado. Porque este é o mesmo comportamento exibido por elétrons livres altamente relativísticos, portadores de carga no grafeno são referidos como "quasipartículas de Dirac, ”Depois de Paul Dirac, o cientista que primeiro descreveu o comportamento dos férmions relativísticos em 1928.
Observou-se que a resposta dos elétrons ultrarelativísticos no grafeno aos potenciais de Coulomb criados pelos trímeros do cobalto é significativamente diferente da resposta dos elétrons não relativísticos nos sistemas atômicos tradicionais e de impurezas. (Imagem cortesia do grupo Crommie)
“No grafeno, elétrons se comportam como férmions de Dirac sem massa, ”Crommie diz. “Como tal, prevê-se que a resposta desses elétrons a um potencial de Coulomb difira significativamente de como os elétrons não relativísticos se comportam em sistemas atômicos e de impurezas tradicionais. Contudo, até agora, muitas previsões teóricas importantes para este sistema ultra-relativístico não foram testadas. ”
Trabalhando com um microscópio de tunelamento de varredura (STM) especialmente equipado em ultra-alto vácuo, Crommie e seus colegas investigaram dispositivos bloqueados que consistem em uma camada de grafeno depositada sobre flocos de nitreto de boro que foram colocados em um substrato de dióxido de silício, o mais comum dos substratos semicondutores.
“O uso de nitreto de boro reduziu significativamente a falta de homogeneidade de carga do grafeno, permitindo-nos, assim, sondar a resposta eletrônica intrínseca do grafeno a impurezas individuais carregadas, ”Crommie diz. Neste estudo, as impurezas carregadas eram trímeros de cobalto construídos em grafeno por meio da manipulação atômica de monômeros de cobalto com a ponta de um STM. ”
O STM usado para fabricar os trímeros de cobalto também foi usado para mapear (através da variação espacial na estrutura eletrônica do grafeno) a resposta das quasipartículas de Dirac - tanto elétrons quanto buracos - ao potencial de Coulomb criado pelos trímeros. A comparação da assimetria elétron-buraco observada com simulações teóricas permitiu que a equipe de pesquisa não apenas testasse as previsões teóricas de como os férmions de Dirac se comportam perto de um potencial de Coulomb, mas também para extrair a constante dielétrica do grafeno.
“Teóricos previram que, em comparação com outros materiais, elétrons no grafeno são puxados para uma impureza carregada positivamente ou muito fracamente, o regime subcrítico; ou muito forte, o regime supercrítico, ”Crommie diz. “Em nosso estudo, verificamos as previsões para o regime subcrítico e descobrimos que o valor do dielétrico é pequeno o suficiente para indicar que as interações elétron-elétron contribuem significativamente para as propriedades do grafeno. Esta informação é fundamental para a nossa compreensão de como os elétrons se movem através do grafeno. ”
