p É difícil acreditar que um único material possa ser descrito por tantos superlativos quanto o grafeno pode. Desde sua descoberta em 2004, cientistas descobriram que o rendado, A folha de átomos de carbono em forma de favo de mel - essencialmente o corte mais microscópico de grafite que você pode imaginar - não é apenas o material mais fino conhecido no mundo, mas também incrivelmente leve e flexível, centenas de vezes mais forte que o aço, e mais eletricamente condutor do que o cobre. p Agora, físicos do MIT e da Universidade de Harvard descobriram que o material maravilhoso pode exibir propriedades eletrônicas ainda mais curiosas. Em dois artigos publicados hoje em Natureza , a equipe relata que pode ajustar o grafeno para se comportar em dois extremos elétricos:como um isolante, em que os elétrons são completamente impedidos de fluir; e como supercondutor, em que a corrente elétrica pode fluir sem resistência.

p Pesquisadores do passado, incluindo esta equipe, foram capazes de sintetizar supercondutores de grafeno, colocando o material em contato com outros metais supercondutores - um arranjo que permite que o grafeno herde alguns comportamentos supercondutores. Desta vez, a equipe encontrou uma maneira de fazer superconduto de grafeno por conta própria, demonstrar que a supercondutividade pode ser uma qualidade intrínseca no material puramente baseado em carbono.

p Os físicos conseguiram isso criando uma "superrede" de duas folhas de grafeno empilhadas - não precisamente uma em cima da outra, mas girado levemente, em um "ângulo mágico" de 1,1 graus. Como resultado, a sobreposição, o padrão de favo de mel hexagonal é ligeiramente deslocado, criando uma configuração moiré precisa que se prevê induzir estranhos, "interações fortemente correlacionadas" entre os elétrons nas folhas de grafeno. Em qualquer outra configuração empilhada, o grafeno prefere permanecer distinto, interagindo muito pouco, eletronicamente ou de outra forma, com suas camadas vizinhas.

p O time, liderado por Pablo Jarillo-Herrero, um professor associado de física no MIT, descobri que, quando girado no ângulo mágico, as duas folhas de grafeno exibem comportamento não condutor, semelhante a uma classe exótica de materiais conhecidos como isoladores Mott. Quando os pesquisadores aplicaram voltagem, adicionar pequenas quantidades de elétrons à superrede de grafeno, eles descobriram isso, em um certo nível, os elétrons saíram do estado inicial de isolamento e fluíram sem resistência, como se por um supercondutor.

p "Agora podemos usar o grafeno como uma nova plataforma para investigar a supercondutividade não convencional, "Jarillo-Herrero diz." Também se pode imaginar fazer um transistor supercondutor de grafeno, que você pode ligar e desligar, de supercondutor a isolante. Isso abre muitas possibilidades para dispositivos quânticos. "

p Uma lacuna de 30 anos

p A capacidade de um material de conduzir eletricidade é normalmente representada em termos de faixas de energia. Uma única banda representa uma gama de energias que os elétrons de um material podem ter. Há uma lacuna de energia entre as bandas, e quando uma banda está cheia, um elétron deve incorporar energia extra para superar essa lacuna, a fim de ocupar a próxima banda vazia.

p Um material é considerado isolante se a última faixa de energia ocupada estiver completamente preenchida com elétrons. Condutores elétricos, como metais, por outro lado, exibem bandas de energia parcialmente preenchidas, com estados de energia vazia que os elétrons podem preencher para se moverem livremente.

p Isoladores Mott, Contudo, são uma classe de materiais que surgem de sua estrutura de banda para conduzir eletricidade, mas quando medido, eles se comportam como isolantes. Especificamente, suas faixas de energia estão meio preenchidas, mas por causa de fortes interações eletrostáticas entre elétrons (como cargas de sinal igual se repelindo), o material não conduz eletricidade. A banda meio preenchida essencialmente se divide em duas miniaturas, bandas quase planas, com elétrons ocupando completamente uma banda e deixando a outra vazia, e, portanto, se comportando como um isolante.

p "Isso significa que todos os elétrons estão bloqueados, então é um isolante por causa dessa forte repulsão entre os elétrons, então nada pode fluir, "Jarillo-Herrero explica." Por que os isoladores Mott são importantes? Acontece que o composto original da maioria dos supercondutores de alta temperatura é um isolante de Mott. "

p Em outras palavras, cientistas descobriram maneiras de manipular as propriedades eletrônicas dos isoladores de Mott para transformá-los em supercondutores, a temperaturas relativamente altas de cerca de 100 Kelvin. Para fazer isso, eles quimicamente "dopam" o material com oxigênio, cujos átomos atraem elétrons para fora do isolador de Mott, deixando mais espaço para o fluxo dos elétrons restantes. Quando oxigênio suficiente é adicionado, o isolador se transforma em um supercondutor. Como exatamente essa transição ocorre, Jarillo-Herrero diz, tem sido um mistério de 30 anos.

p “Este é um problema de 30 anos e contando, não resolvido, "Jarillo-Herrero diz." Esses supercondutores de alta temperatura foram estudados até a morte, e eles têm muitos comportamentos interessantes. Mas não sabemos como explicá-los. "

p Uma rotação precisa

p Jarillo-Herrero e seus colegas procuraram uma plataforma mais simples para estudar essa física não convencional. Ao estudar as propriedades eletrônicas do grafeno, a equipe começou a brincar com pilhas simples de folhas de grafeno. Os pesquisadores criaram superredes de duas folhas esfoliando primeiro um único floco de grafeno de grafite, em seguida, pegue cuidadosamente metade do floco com uma lâmina de vidro revestida com um polímero pegajoso e um material isolante de nitreto de boro.

p Eles então giraram a lâmina de vidro levemente e pegaram a segunda metade do floco de grafeno, aderindo ao primeiro semestre. Desta maneira, eles criaram uma superrede com um padrão de deslocamento que é distinto da rede original em favo de mel do grafeno.

p A equipe repetiu este experimento, criando vários "dispositivos, "ou superredes de grafeno, com vários ângulos de rotação, entre 0 e 3 graus. Eles anexaram eletrodos a cada dispositivo e mediram uma corrente elétrica que passava, então traçou a resistência do dispositivo, dada a quantidade de corrente original que passou.

p "Se você estiver fora do seu ângulo de rotação em 0,2 graus, toda a física se foi, "Jarillo-Herrero diz." Nenhuma supercondutividade ou isolante de Mott aparece. Portanto, você tem que ser muito preciso com o ângulo de alinhamento. "

p A 1,1 graus - uma rotação que foi prevista como um "ângulo mágico" - os pesquisadores descobriram que a superrede de grafeno se assemelhava eletronicamente a uma estrutura de banda plana, semelhante a um isolador Mott, em que todos os elétrons carregam a mesma energia, independentemente de seu momento.

p "Imagine que o momento de um carro é massa vezes velocidade, "Jarillo-Herrero diz." Se você está dirigindo a 30 milhas por hora, você tem uma certa quantidade de energia cinética. Se você dirige a 60 milhas por hora, você tem uma energia muito superior, e se você bater, você pode deformar um objeto muito maior. Essa coisa está dizendo, não importa se você vai a 30, 60 ou 100 milhas por hora, todos eles teriam a mesma energia. "

p "Atual gratuitamente"

p Para elétrons, Isso significa que, mesmo se estiverem ocupando uma faixa de energia preenchida pela metade, um elétron não tem mais energia do que qualquer outro elétron, para permitir que ele se mova nessa banda. Portanto, mesmo que essa estrutura de banda meio preenchida deva agir como um maestro, em vez disso, se comporta como um isolante - e mais precisamente, um isolador Mott.

p Isso deu à equipe uma ideia:e se eles pudessem adicionar elétrons a essas superredes semelhantes a Mott, semelhante a como os cientistas doparam isoladores de Mott com oxigênio para transformá-los em supercondutores? O grafeno, por sua vez, assumiria qualidades supercondutoras?

p Descobrir, eles aplicaram uma pequena tensão de porta à "superrede de grafeno de ângulo mágico, "adicionando pequenas quantidades de elétrons à estrutura. Como resultado, elétrons individuais ligados com outros elétrons no grafeno, permitindo-lhes fluir onde antes não podiam. Ao longo, os pesquisadores continuaram medindo a resistência elétrica do material, e descobriram que, quando adicionaram um certo, pequena quantidade de elétrons, a corrente elétrica fluía sem dissipar energia - exatamente como um supercondutor.

p "Você pode fluir a corrente de graça, nenhuma energia desperdiçada, e isso está mostrando que o grafeno pode ser um supercondutor, "Jarillo-Herrero diz.

p Talvez mais importante, ele diz que os pesquisadores são capazes de ajustar o grafeno para se comportar como um isolante ou supercondutor, e qualquer fase intermediária, exibindo todas essas propriedades diversas em um único dispositivo. Isso contrasta com outros métodos, em que os cientistas tiveram que crescer e manipular centenas de cristais individuais, cada um dos quais pode ser feito para se comportar em apenas uma fase eletrônica.

p "Usualmente, você tem que desenvolver diferentes classes de materiais para explorar cada fase, "Jarillo-Herrero diz." Estamos fazendo isso no local, em um tiro, em um dispositivo puramente de carbono. Podemos explorar toda essa física em um dispositivo eletricamente, em vez de ter que fazer centenas de dispositivos. Não poderia ser mais simples. "