Pesquisadores da Columbia Engineering, especialistas em manipulação de matéria em nanoescala, fizeram um avanço importante na física e ciência dos materiais, relatado recentemente em Nature Nanotechnology . Trabalhando com colegas das Universidades de Princeton e Purdue e do Istituto Italiano di Tecnologia, a equipe projetou "grafeno artificial" recriando, pela primeira vez, a estrutura eletrônica do grafeno em um dispositivo semicondutor.

"Este marco define um novo estado da arte na ciência da matéria condensada e nanofabricação, "diz Aron Pinczuk, professor de física aplicada e física na Columbia Engineering e autor sênior do estudo. "Embora o grafeno artificial tenha sido demonstrado em outros sistemas, como o óptico, molecular, e redes fotônicas, essas plataformas carecem da versatilidade e do potencial oferecido pelas tecnologias de processamento de semicondutores. Dispositivos de grafeno artificial semicondutor podem ser plataformas para explorar novos tipos de interruptores eletrônicos, transistores com propriedades superiores, e até mesmo, possivelmente, novas maneiras de armazenar informações com base em estados de mecânica quântica exóticos. "

A descoberta do grafeno no início dos anos 2000 gerou uma enorme empolgação na comunidade da física, não só porque foi a primeira realização no mundo real de um verdadeiro material bidimensional, mas também porque o arranjo atômico único dos átomos de carbono no grafeno forneceu uma plataforma para testar novos fenômenos quânticos que são difíceis de observar em sistemas de materiais convencionais. Com suas propriedades eletrônicas incomuns - seus elétrons podem viajar grandes distâncias antes de serem espalhados - o grafeno é um excelente condutor. Essas propriedades também exibem outras características únicas que fazem os elétrons se comportarem como se fossem partículas relativísticas que se movem perto da velocidade da luz, conferindo a eles propriedades exóticas que "regulares, "elétrons não relativísticos não têm.

Mas o grafeno, uma substância natural, vem em apenas um arranjo atômico:as posições dos átomos na rede de grafeno são fixas, e, portanto, todos os experimentos com grafeno devem se adaptar a essas restrições. Por outro lado, no grafeno artificial, a rede pode ser projetada em uma ampla gama de espaçamentos e configurações, tornando-o um tipo de cálice sagrado para pesquisadores de matéria condensada, porque terá propriedades mais versáteis do que o material natural.

"Esta é uma área de pesquisa em rápida expansão, e estamos descobrindo novos fenômenos que não podiam ser acessados ​​antes, "diz Shalom Wind, membro do corpo docente do departamento de física aplicada e matemática aplicada e co-autor do estudo. "À medida que exploramos novos conceitos de dispositivos baseados no controle elétrico do grafeno artificial, podemos desbloquear o potencial para expandir as fronteiras em optoeletrônica avançada e processamento de dados. "

"Este trabalho é realmente um grande avanço no grafeno artificial. Desde a primeira previsão teórica de que um sistema com propriedades eletrônicas semelhantes ao grafeno pode ser artificialmente criado e ajustado com gás de elétrons 2D padronizado, ninguém teve sucesso, até o trabalho de Columbia, em observar diretamente essas características em nanoestruturas semicondutoras projetadas, "diz Steven G. Louie, professor de física, Universidade da Califórnia, Berkeley. "Trabalhos anteriores com moléculas, átomos e estruturas fotônicas representam sistemas muito menos versáteis e estáveis. As estruturas semicondutoras nanofabricadas abrem enormes oportunidades para explorar novas e interessantes aplicações práticas. "

Os pesquisadores usaram as ferramentas da tecnologia de chip convencional para desenvolver o grafeno artificial em um material semicondutor padrão, arsenieto de gálio. Eles projetaram uma estrutura em camadas para que os elétrons pudessem se mover apenas dentro de uma camada muito estreita, efetivamente criando uma folha 2D. Eles usaram nanolitografia e corrosão para padronizar o arseneto de gálio:a padronização criou uma rede hexagonal de locais em que os elétrons estavam confinados na direção lateral. Ao colocar esses sites, que podem ser considerados como "átomos artificiais, "suficientemente próximos um do outro (~ 50 nanômetros de distância), esses átomos artificiais poderiam interagir mecanicamente quântica, semelhante à maneira como os átomos compartilham seus elétrons nos sólidos.

A equipe investigou os estados eletrônicos das redes artificiais lançando luz laser sobre eles e medindo a luz que foi espalhada. A luz espalhada mostrou uma perda de energia que correspondeu às transições na energia do elétron de um estado para outro. Quando eles mapearam essas transições, a equipe descobriu que estavam se aproximando de zero de forma linear em torno do que é chamado de "ponto de Dirac", onde a densidade de elétrons desaparece, uma marca registrada do grafeno.

Este grafeno artificial tem várias vantagens sobre o grafeno natural:por exemplo, os pesquisadores podem projetar variações na estrutura do favo de mel para modular o comportamento eletrônico. E porque o espaçamento entre os pontos quânticos é muito maior do que o espaçamento interatômico no grafeno natural, pesquisadores podem observar fenômenos quânticos ainda mais exóticos com a aplicação de um campo magnético.

A descoberta de novos materiais de baixa dimensão, como grafeno e outros ultrafinos, filmes de van der Waals em camadas que exibem novos fenômenos físicos emocionantes que antes eram inacessíveis, lançou as bases para este estudo. "O que foi realmente crítico para o nosso trabalho foram os avanços impressionantes na nanofabricação, "Pinczuk observa." Isso nos oferece uma caixa de ferramentas cada vez maior para a criação de uma miríade de padrões de alta qualidade em dimensões em nanoescala. Este é um momento emocionante para ser um físico trabalhando em nossa área. "