Nos últimos sete anos, Javier Sanchez-Yamagishi construiu centenas de sistemas de grafeno empilhado em nanoescala para estudar suas propriedades eletrônicas. "O que me interessa muito é que as propriedades desse sistema combinado dependem sensivelmente do alinhamento relativo entre eles, " ele diz.

Sanchez-Yamagishi, que recebeu seu doutorado em janeiro, agora é pós-doutorando no grupo do Professor Associado Pablo Jarillo-Herrero. Ele monta sanduíches de grafeno e nitreto de boro com várias orientações horizontais. "Os truques que usaríamos eram fazer dispositivos mais limpos, resfriando-os a baixas temperaturas e aplicando campos magnéticos muito grandes a eles, "diz Sanchez-Yamagishi, que realizou medições no Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético em Tallahassee, Flórida. O laboratório possui o maior ímã contínuo do mundo, 45 Tesla, que é cerca de 10, 000 vezes a força de um ímã de geladeira.

Sanchez-Yamagishi foi o co-autor principal de um artigo de 2014 em Natureza que mostrou que ter um componente do campo magnético aplicado no plano do grafeno forçou os elétrons na borda do grafeno a se moverem em direções opostas com base em seus spins. Os co-autores principais foram o pós-doutorando Benjamin M. Hunt e o Pappalardo Fellow Andrea Young, ambos do grupo do professor de física Raymond C. Ashoori do MIT. O artigo foi o resultado de dois anos de trabalho, Sanchez-Yamagishi diz.

"Estávamos tentando perceber alguns estados quânticos interessantes no grafeno. É chamado de estado Hall de spin quântico, "Sanchez-Yamagishi explica. Isso teria aplicações em computação quântica, uma área de interesse para o grupo porque Jarillo-Herrero é um pesquisador do Centro de Materiais Quânticos Integrados financiado pela National Science Foundation.

Sanchez-Yamagishi também foi co-autor de um artigo da Science de 2013 em que Jarillo-Herrero, Ashoori, e colaboradores demonstraram que um certo alinhamento de grafeno em camadas e nitreto de boro hexagonal criou um gap único no grafeno, que poderia ser um precursor para o desenvolvimento do material para transistores funcionais. Os co-autores de Sanchez-Yamagishi novamente incluíram Young, agora professor assistente da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, e Hunt, que se juntará ao corpo docente do departamento de física Carnegie Mellon neste outono.

Borboleta de Hofstadter

Cada camada de grafeno e nitreto de boro tem átomos dispostos em um hexagonal, ou seis lados, padronizar. Quando o arranjo de rede de camadas de grafeno e nitreto de boro hexagonal estão estreitamente alinhadas, e as amostras são expostas a um grande campo magnético fora do plano, eles exibem níveis de energia eletrônica que são chamados de "borboleta de Hofstadter, "porque quando eles são plotados em um gráfico, eles se parecem com uma borboleta. O que empolga os físicos é que essa borboleta é um dos raros exemplos de um padrão fractal na física quântica." muito pequenos e os tornamos muito frios. Portanto, a física quântica desempenha um papel e é muito diferente, chocantemente diferente, "Sanchez-Yamagishi diz.

"Além do resultado da borboleta Hofstadter, os mesmos dispositivos também foram os primeiros a mostrar um bandgap no grafeno. Jarillo-Herrero diz, "O que foi muito inesperado foi que mostramos que o grafeno, que geralmente conduz muito bem, sob as condições desse experimento com um ângulo de rotação muito baixo entre o grafeno e o HBN, tornou-se um isolante. Não conduziu nada. Esse foi um comportamento inesperado e ainda é. Os teóricos ainda estão tentando entender por quê. Em um nível quantitativo, ainda não foi entendido. Portanto, é entendido qualitativamente, mas não quantitativamente. "

Descoberta afortunada

O comportamento eletrônico peculiar do grafeno vem de sua estrutura molecular, que é como uma rede de átomos de carbono em forma de favo de mel ou arame de galinha. Quando essas estruturas em favo de mel são empilhadas umas sobre as outras, se eles estiverem desalinhados, eles criam um chamado padrão moiré, que varia com a rotação das camadas umas em relação às outras. "O que aconteceu foi por acidente, temos essas amostras que mostram a física de Hofstadter. Então essa não era nossa intenção original, "Sanchez-Yamagishi explica." Para ver a física de Hofstadter, o grafeno deve ser alinhado de forma muito próxima ao nitreto de boro hexagonal. Quando está bem alinhado, você tem uma superrede muito grande, e então a física é fortemente afetada, e é por isso que pudemos observar a física de Hofstadter, "diz ele. Em outras palavras, ele diz, "Quando eles estão desalinhados, o moiré é muito pequeno, e quando o moiré é pequeno, tem muito pouco efeito na física do elétron. Mas quando eles estão alinhados, quanto mais eles estão alinhados, quanto maior o moiré e mais forte o efeito sobre os elétrons, e então, basicamente, para ver esse tipo de física de Hofstadter, você precisa de um grande moiré. "

Embora essa estrutura de favo de mel exista na grafite, uma forma familiar de carbono suas propriedades especiais só aparecem quando camadas de grafeno com apenas um ou alguns átomos de espessura são separadas da grafite. "O grafeno conduz eletricidade melhor do que a grafite. Conduz melhor do que prata ou ouro, "Sanchez-Yamagishi diz.

Sanchez-Yamagishi construiu uma máquina no laboratório que empilha camadas extremamente finas de grafeno e materiais semelhantes. Quando duas camadas de grafeno estão desalinhadas, eles são chamados de grafeno de dupla camada torcida. “Em grafite, normalmente todas as camadas estão alinhadas umas com as outras; elétrons ficam mais lentos, "ele explica. Acontece que se duas camadas de grafeno são empilhadas em alinhamento, elétrons que viajam dentro de uma camada são desacelerados da mesma maneira. Mas com grafeno, se as camadas empilhadas umas sobre as outras estiverem desalinhadas, eles agem como se uma camada realmente não sentisse a outra camada. "Você pode colocar um em cima do outro, eles realmente permanecem separados um do outro, e ainda pode conduzir eletricidade basicamente tão bem como se ainda fosse uma única folha de grafeno, "ele diz." Se eles estiverem desalinhados, então, o elétron em uma camada não é afetado pelas outras camadas e desliza rapidamente. "

Enquanto a torção, ou rotação fora do alinhamento, pode melhorar o fluxo de elétrons através de camadas individuais, tem o efeito oposto sobre os elétrons que se movem entre as camadas. "Mesmo que eles estejam um em cima do outro, átomos separados, se você torcê-los, então, os elétrons não podem realmente ir de uma camada para a outra sozinhos. Eles precisam da ajuda de outros elementos do sistema. Então você pode colocá-los um em cima do outro, na verdade, eles não estão eletricamente conectados. Está relacionado a este padrão ondulado. É por causa da torção entre as duas camadas que as separa desta forma, "Sanchez-Yamagishi diz.

Curva de aprendizado

Um dos primeiros alunos de pós-graduação a ingressar no grupo de Jarillo-Herrero em 2008, Sanchez-Yamagishi, 28, diz que passou de meses para fazer grafeno de boa qualidade e passou a fazer dispositivos de grafeno muito complexos e combiná-los com outros materiais. Os contatos de ouro enviam corrente através do grafeno para medir suas propriedades elétricas. Muitas vezes, As formas de grafeno usadas em dispositivos de teste são irregulares, pois é assim que elas saem do material de grafite natural. O grafite é esfregado em uma folha de silício e retirado com fita especial para criar camadas finas de grafeno. Maximizar a quantidade de grafeno que pode ser usado para um dispositivo tem prioridade sobre torná-lo bonito, Sanchez-Yamagishi diz. "Estamos tentando levar a tecnologia ao mais alto nível, então, estamos confiando no final da distribuição aqui. Queremos obter essa extremidade final, aqueles que têm um desempenho anormalmente bom, porque queremos demonstrar a física, "ele diz." No final, eliminamos aqueles que não são de alta qualidade, e mantemos aqueles que são os melhores. "

Os estudos são realizados em baixas temperaturas, cerca de 4 Kelvins - embora alguns sejam ainda mais frios, medido em milikelvins. "Um grande foco do nosso laboratório é apenas estudar a eletricidade na forma de como os elétrons se movem e, para isso, primeiro queremos resfriá-la a baixas temperaturas, onde tudo o que vemos é como o elétron se comporta principalmente por si só, e então podemos nos preocupar em tornar as coisas mais complicadas também, "Sanchez-Yamagishi explica. Ele também é mentor dos atuais alunos de pós-graduação Yuan Cao e Jason Luo.

Em setembro, Sanchez-Yamagishi começará uma bolsa de pós-doutorado de dois anos no Centro de Óptica Quantum da Universidade de Harvard, onde trabalhará em centros de vacância de nitrogênio em diamantes sob o comando do pesquisador Mikhail Lukin. "Minha formação é eletrônica em grafeno, então a ideia é combinar elétrons no grafeno com fótons nos diamantes, Ele espera se tornar um professor de física.

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.