Pesquisas feitas por cientistas ligados ao Graphene Flagship da CE revelaram uma fase superfluida em materiais 2D de temperatura ultrabaixa, criando o potencial para dispositivos eletrônicos que dissipam muito pouca energia.

Nas escalas atômica e molecular, o mundo pode ser um lugar muito estranho, com as noções cotidianas de temperatura, energia e coerência física em desordem. Com a realidade no nível quântico, devemos falar de probabilidade e probabilidade estatística, em vez de simples causa e efeito da bola de bilhar.

Pegue o conceito de superfluidez, um estado ultra-frio no qual a matéria atua como um fluido com viscosidade zero. Você pode pensar na superfluidez como um análogo termodinâmico generalizado da supercondutividade elétrica mais comumente entendida, por meio do qual os elétrons se movem através dos materiais sem resistência e perda de energia.

A superfluidez foi descoberta pela primeira vez no hélio líquido, a temperaturas de apenas alguns graus acima do zero absoluto, mas o fenômeno é evidente em escalas que vão do atômico ao cósmico. Está relacionado ao estado da matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein, em que uma grande fração das partículas na matéria a granel ocupa o estado de energia quântica mais baixa. As partículas, que em temperaturas mais altas se movem aleatoriamente, moda casual, pode, desta forma, se comportar como um todo coerente ou pelo menos quase coerente, trazendo assim os efeitos da mecânica quântica para a visibilidade macroscópica.

Fascinante, ainda que um tanto esotérico, a física pode ser, mas há um lado prático da superfluidez e da condensação de Bose-Einstein. Por um lado, tem implicações para o comportamento de dispositivos eletrônicos, embora especialistas operando em temperaturas ultrabaixas. Para este fim, um grupo de pesquisadores associados ao Grafeno Flagship da Europa investigou as propriedades dos elétrons que se movem em estruturas bidimensionais formadas a partir de grafeno e arseneto de gálio.

O grafeno é carbono cristalino organizado de forma transparente, camadas de átomo único de espessura, com os átomos de carbono colocados em uma estrutura semelhante a um favo de mel. O mais conhecido das centenas de materiais bidimensionais descobertos até hoje, o grafeno tem uma série de elementos elétricos exclusivos, propriedades mecânicas e outras que proporcionam um enorme potencial para aplicações que vão desde a eletrônica até estruturas superfortes.

Com foco em medições de arrasto de Coulomb - o acoplamento friccional entre correntes elétricas em condutores espacialmente separados - pesquisadores do Graphene Flagship, liderado por Marco Polini do Instituto de Nanociência do Conselho Nacional de Pesquisa e Scuola Normale Superiore em Pisa, Itália, Vittorio Pellegrini, nos Laboratórios de Grafeno do Instituto Italiano de Tecnologia de Gênova, e Andrea Ferrari, do Cambridge Graphene Center, descobriram que a resistividade de arrasto aumenta acentuadamente em temperaturas de menos de 5 Kelvin (-268,15 Celsius). Este é um resultado inesperado, partindo da dependência usual da temperatura exibida em líquidos Fermi fracamente correlacionados:um modelo teórico que descreve o comportamento da maioria dos materiais eletricamente condutores em temperaturas ultrabaixas.

Em artigo publicado recentemente na revista Nature Communications , o primeiro autor é Andrea Gamucci, os pesquisadores relatam uma nova classe de estruturas eletrônicas compostas nas quais o grafeno de camada única ou dupla é colocado nas proximidades de um poço quântico feito de arseneto de gálio.

Um poço quântico, formado a partir de um semicondutor com valores de energia discretos, confina o movimento da partícula carregada a um plano bidimensional. Combinar grafeno com um poço quântico resulta em uma heteroestrutura formada a partir de dois materiais bidimensionais diferentes, e tal conjunto composto pode ser usado para investigar a interação de elétrons e lacunas de elétrons. Um buraco é formado quando um elétron é excitado para um estado de maior energia, deixando em seu rastro uma quase partícula que se comporta como se fosse um elétron "ausente", ou um elétron com carga positiva em vez de negativa. Observe que os buracos de elétrons não são a mesma coisa que as antipartículas fisicamente reais conhecidas como pósitrons.

No caso das heteroestruturas grafeno-GaAs relatadas no Nature Communications papel, as medições de arrasto de Coulomb são consistentes com fortes interações entre as camadas de material, com a força eletrostática atrativa entre os elétrons e as lacunas em dispositivos de estado sólido que resultam em superfluidez e condensação de Bose-Einstein. Em outras palavras, a forte interação entre as camadas de material leva a efeitos quânticos que se manifestam em grandes conjuntos de elétrons e buracos confinados em dispositivos de tamanho micrométrico.

"Mostramos que tais efeitos podem acontecer quando os elétrons estão confinados em um poço fino feito de arseneto de gálio, com orifícios confinados em grafeno monocamada ou bicamada, "diz Polini." Elétrons e buracos separados por algumas dezenas de nanômetros se atraem por meio de uma das forças mais fortes exibidas na natureza - a força elétrica. Em temperaturas suficientemente baixas, nossos experimentos revelam o possível surgimento de uma fase superfluida, em que correntes opostas fluem nos dois sistemas bidimensionais separados. "Pellegrini continua:" Essas correntes fluem com dissipação mínima, e pode tornar possível uma série de dispositivos eletrônicos coerentes que dissipam pouca energia ". Ferrari acrescenta:" Este é outro exemplo de resultados de ponta possibilitados pela montagem determinística de grafeno e outras estruturas bidimensionais, que é precisamente o alvo geral do Graphene Flagship. "

Superfluidez e condensação de Bose-Einstein são fenômenos de temperatura ultrabaixa, portanto, os efeitos descritos aqui nas heteroestruturas de arsenieto de grafeno-gálio não se aplicarão aos dispositivos eletrônicos do dia-a-dia. Ainda, existem muitas aplicações que requerem o uso de componentes eletrônicos resfriados criogenicamente, e estes poderiam explorar o arrasto Coulomb anômalo de baixa temperatura em materiais bidimensionais a granel.

Exemplos de tais aplicações incluem computação quântica e de alto desempenho, espectroscopia, detecção magnética e infravermelha, e conversão analógico-digital. A descoberta dos pesquisadores do Graphene Flagship delineada aqui pode beneficiar essas áreas de tecnologia e muito mais.