p Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram uma reviravolta única na história do grafeno, folhas de carbono puro com apenas um átomo de espessura, e, no processo, parece ter resolvido um mistério que impedia o desenvolvimento de dispositivos. p Os elétrons podem percorrer o grafeno quase à velocidade da luz - 100 vezes mais rápido do que o silício. Além de ser superfino e super rápido quando se trata de elétrons condutores, o grafeno também é super forte e superflexível, tornando-o um potencial material superstar nos campos da eletrônica e fotônica, a base para uma série de dispositivos, começando com transistores ultrarrápidos. Um grande problema, Contudo, foi que a condução de elétrons do grafeno não pode ser completamente interrompida, um requisito essencial para dispositivos on / off.

p O problema liga / desliga origina-se de monocamadas de grafeno sem bandgaps - faixas de energia nas quais nenhum estado de elétron pode existir. Sem um bandgap, não há como controlar ou modular a corrente de elétrons e, portanto, não há como realizar totalmente a enorme promessa do grafeno em dispositivos eletrônicos e fotônicos. Os pesquisadores do Berkeley Lab foram capazes de projetar bandgaps precisamente controlados no grafeno de duas camadas por meio da aplicação de um campo elétrico externo. Contudo, quando os dispositivos foram feitos com esses bandgaps projetados, os dispositivos se comportaram de forma estranha, como se a condução nesses bandgaps não tivesse sido interrompida. Por que tais dispositivos não deram certo é um mistério científico até agora.

p Trabalhando no Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), uma instalação de usuário nacional do DOE, uma equipe de pesquisa liderada pelo cientista da ALS Aaron Bostwick descobriu que no empilhamento de monocamadas de grafeno surgem desalinhamentos sutis, criando uma torção quase imperceptível na bicamada final de grafeno. Por menor que seja - tão pequeno quanto 0,1 grau - essa torção pode levar a mudanças surpreendentemente fortes nas propriedades eletrônicas do grafeno de duas camadas.

p "A introdução do twist gera uma estrutura eletrônica completamente nova no grafeno de duas camadas que produz férmions Dirac massivos e sem massa, "diz Bostwick." O ramo de férmion Dirac sem massa produzido por esta nova estrutura impede que o grafeno de duas camadas se torne totalmente isolante, mesmo sob um campo elétrico muito forte. Isso explica por que o grafeno de bicamada não correspondeu às previsões teóricas em dispositivos reais que eram baseados em grafeno de bicamada perfeito ou não torcido. "

p Bostwick é o autor correspondente de um artigo que descreve esta pesquisa no jornal Materiais da Natureza intitulado "Coexistindo férmions de Dirac massivos e sem massa em grafeno de bicamada quebrada por simetria." Keun Su Kim, do Instituto Fritz Haber em Berlim, é o autor principal. Outros co-autores são Andrew Walter, Luca Moreschini, Thomas Seyller, Karsten Horn, e Eli Rotenberg, que supervisiona a pesquisa na ALS Beamline 7.0.1.

p Monocamadas de grafeno não têm bandgaps - faixas de energia nas quais nenhum estado de elétron pode existir. Sem um bandgap, não há como controlar ou modular a corrente de elétrons e, portanto, não há como realizar totalmente a enorme promessa do grafeno em dispositivos eletrônicos e fotônicos. Os pesquisadores do Berkeley Lab foram capazes de projetar bandgaps precisamente controlados no grafeno de duas camadas por meio da aplicação de um campo elétrico externo. Contudo, quando os dispositivos foram feitos com esses bandgaps projetados, os dispositivos se comportaram de forma estranha, como se a condução nesses bandgaps não tivesse sido interrompida.

p Para chegar ao fundo deste mistério, Rotenberg, Bostwick, Kim e seus co-autores realizaram uma série de experimentos de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) na linha de luz de ALS 7.0.1. ARPES é uma técnica para estudar os estados eletrônicos de um material sólido no qual um feixe de fótons de raios X atingindo a superfície do material causa a fotoemissão de elétrons. A energia cinética desses fotoelétrons e os ângulos em que são ejetados são medidos para obter um espectro eletrônico.

p "A combinação de ARPES e Beamline 7.0.1 nos permitiu identificar facilmente o espectro eletrônico da torção na bicamada de grafeno, "diz Rotenberg." O espectro que observamos era muito diferente do que foi assumido e contém ramos extras consistindo de férmions Dirac sem massa. Esses novos férmions Dirac sem massa se movem de uma maneira completamente inesperada governados pelas camadas torcidas de simetria. "

p Férmions Dirac sem massa, elétrons que essencialmente se comportam como se fossem fótons, não estão sujeitos às mesmas restrições de bandgap que os elétrons convencionais. Em seus Materiais da Natureza papel, os autores afirmam que as torções que geram esse espectro de férmions de Dirac sem massa podem ser quase inevitáveis ​​na fabricação do grafeno de duas camadas e podem ser introduzidas como resultado de apenas dez desajustes atômicos em um mícron quadrado de grafeno de duas camadas.

p "Agora que entendemos o problema, podemos buscar soluções, "diz o autor principal Kim." Por exemplo, podemos tentar desenvolver técnicas de fabricação que minimizem os efeitos de torção, ou reduzir o tamanho do grafeno de duas camadas que produzimos para que tenhamos uma chance melhor de produzir material puro localmente. "

p Além de resolver um mistério de grafeno de duas camadas, Kim e seus colegas dizem que a descoberta da torção estabelece uma nova estrutura na qual várias propriedades fundamentais do grafeno de camada dupla podem ser previstas com mais precisão.

p "Uma lição aprendida aqui é que mesmo essa minúscula distorção estrutural de materiais em escala atômica não deve ser descartada ao descrever as propriedades eletrônicas desses materiais de forma completa e precisa, "Kim diz.