(Phys.org) —Graphene se tornou um material maravilhoso para todos os fins, estimulando exércitos de pesquisadores a explorar novas possibilidades para esta rede bidimensional de carbono puro. Mas uma nova pesquisa no MIT encontrou potencial adicional para o material, revelando recursos inesperados que aparecem sob algumas condições extremas - recursos que podem tornar o grafeno adequado para usos exóticos, como computação quântica.

A pesquisa é publicada esta semana na revista. Natureza , em um artigo dos professores Pablo Jarillo-Herrero e Ray Ashoori, os pós-doutorandos Andrea Young e Ben Hunt, estudante de graduação Javier Sanchez-Yamaguchi, e três outros. Sob um campo magnético extremamente poderoso e em temperaturas extremamente baixas, os pesquisadores descobriram, o grafeno pode filtrar efetivamente os elétrons de acordo com a direção de seu spin, algo que não pode ser feito por nenhum sistema eletrônico convencional.

Sob condições típicas, folhas de grafeno se comportam como condutores normais:aplique uma tensão, e a corrente flui por todo o floco bidimensional. Se você ligar um campo magnético perpendicular ao floco de grafeno, Contudo, o comportamento muda:a corrente flui apenas ao longo da borda, enquanto a maior parte permanece isolante. Além disso, esta corrente flui apenas em uma direção - horário ou anti-horário, dependendo da orientação do campo magnético - em um fenômeno conhecido como efeito Hall quântico.

No novo trabalho, os pesquisadores descobriram que se aplicassem um segundo campo magnético poderoso - desta vez no mesmo plano do floco de grafeno - o comportamento do material muda mais uma vez:os elétrons podem se mover ao redor da borda condutora em qualquer direção, com elétrons que têm um tipo de spin movendo-se no sentido horário, enquanto aqueles com o spin oposto movem-se no sentido anti-horário.

"Criamos um tipo incomum de condutor ao longo da borda, "diz Young, um Pappalardo Postdoctoral Fellow no departamento de física do MIT e o autor principal do artigo, "virtualmente um fio unidimensional." A segregação de elétrons de acordo com o spin é "uma característica normal dos isoladores topológicos, " ele diz, "mas o grafeno não é normalmente um isolante topológico. Estamos obtendo o mesmo efeito em um sistema de materiais muito diferente."

O que mais, variando o campo magnético, "podemos ativar e desativar esses estados de borda, "Young diz. Essa capacidade de comutação significa que, em princípio, "podemos fazer circuitos e transistores com eles, " ele diz, o que não foi realizado antes em isoladores topológicos convencionais.

Há outro benefício dessa seletividade de spin, Young diz:Isso evita um fenômeno chamado "retroespalhamento, "que poderia interromper o movimento dos elétrons. Como resultado, imperfeições que normalmente arruinariam as propriedades eletrônicas do material têm pouco efeito. "Mesmo que as bordas estejam 'sujas, 'elétrons são transmitidos ao longo desta borda quase perfeitamente, " ele diz.

Jarillo-Herrero, o Professor Associado de Física de Desenvolvimento de Carreira da Mitsui no MIT, diz que o comportamento visto nesses flocos de grafeno foi previsto, mas nunca visto antes. Este trabalho, ele diz, é a primeira vez que tal comportamento seletivo de spin foi demonstrado em uma única folha de grafeno, e também a primeira vez que alguém demonstrou a capacidade de "fazer a transição entre esses dois regimes".

Isso poderia levar a uma nova maneira de fazer uma espécie de computador quântico, Jarillo-Herrero diz, algo que os pesquisadores tentaram fazer, sem sucesso, por décadas. Mas, devido às condições extremas exigidas, Young diz, "esta seria uma máquina muito especializada" usada apenas para tarefas computacionais de alta prioridade, como em laboratórios nacionais.

Ashoori, um professor de física, aponta que os estados de borda recém-descobertos têm uma série de propriedades surpreendentes. Por exemplo, embora o ouro seja um condutor elétrico excepcionalmente bom, quando salpicos de ouro são adicionados à borda dos flocos de grafeno, eles fazem com que a resistência elétrica aumente. Os salpicos de ouro permitem que os elétrons se espalhem para o estado de viagem oposta ao misturar os spins do elétron; quanto mais ouro é adicionado, quanto mais aumenta a resistência.

Esta pesquisa representa "uma nova direção" em isoladores topológicos, Young diz. "Nós realmente não sabemos a que isso pode levar, mas abre nosso pensamento sobre o tipo de dispositivos elétricos que podemos fazer. "

Os experimentos exigiam o uso de um campo magnético com uma força de 35 tesla - "cerca de 10 vezes mais do que em uma máquina de ressonância magnética, "Jarillo-Herrero diz - e uma temperatura de apenas 0,3 graus Celsius acima do zero absoluto. No entanto, a equipe já está buscando maneiras de observar um efeito semelhante em campos magnéticos de apenas um tesla - semelhante a um forte ímã de cozinha - e em temperaturas mais altas.

Philip Kim, um professor de física da Universidade de Columbia que não estava envolvido neste trabalho, diz, "Os autores aqui demonstraram lindamente uma excelente quantização da condutância, "conforme previsto pela teoria. Ele acrescenta, "Este é um trabalho muito bom que pode conectar a física do isolante topológico à física do grafeno com interações. Este trabalho é um bom exemplo de como os dois tópicos mais populares na física da matéria condensada estão conectados um ao outro."

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.