Quando duas camadas bidimensionais atomicamente finas são empilhadas uma sobre a outra e uma camada é feita para girar contra a segunda camada, eles começam a produzir padrões - os padrões de moiré familiares - que nenhuma camada pode gerar por conta própria e que facilitam a passagem de luz e elétrons, permitindo materiais que exibem fenômenos incomuns. Por exemplo, quando duas camadas de grafeno são sobrepostas e o ângulo entre elas é de 1,1 graus, o material se torna um supercondutor.

"É um pouco como passar por um vinhedo e olhar pela janela as fileiras de vinhedos. De vez em quando, você não vê nenhuma linha porque está olhando diretamente ao longo de uma linha, "disse Nathaniel Gabor, professor associado do Departamento de Física e Astronomia da Universidade da Califórnia, Riverside. "Isso é semelhante ao que acontece quando duas camadas atômicas são empilhadas uma sobre a outra. Em certos ângulos de torção, tudo é permitido energeticamente. A soma é perfeita para permitir possibilidades interessantes de transferência de energia. "

Este é o futuro de novos materiais sendo sintetizados torcendo e empilhando camadas atomicamente finas, e ainda está no estágio de "alquimia", Gabor acrescentou. Para colocar tudo sob o mesmo teto, ele e o físico Justin C. W. Song, da Universidade Tecnológica de Nanyang, Cingapura, propuseram este campo de pesquisa ser denominado "metamateriais quânticos de elétrons" e acabam de publicar um artigo de perspectiva em Nature Nanotechnology .

"Destacamos o potencial da engenharia de matrizes periódicas sintéticas com tamanhos de recursos abaixo do comprimento de onda de um elétron. Essa engenharia permite que os elétrons sejam manipulados de maneiras incomuns, resultando em uma nova gama de metamateriais quânticos sintéticos com respostas não convencionais, "Disse Gabor.

Metamateriais são uma classe de materiais projetados para produzir propriedades que não ocorrem naturalmente. Os exemplos incluem dispositivos de camuflagem ótica e superlentes semelhantes às lentes de Fresnel que os faróis usam. Natureza, também, adotou tais técnicas, por exemplo, na coloração única das asas das borboletas - para manipular os fótons à medida que se movem através de estruturas em nanoescala.

"Ao contrário dos fótons que dificilmente interagem entre si, Contudo, elétrons em metamateriais estruturados em sub comprimento de onda são carregados, e eles interagem fortemente, "Gabor disse." O resultado é uma enorme variedade de fenômenos emergentes e classes radicalmente novas de metamateriais quânticos interagindo. "

Gabor e Song foram convidados por Nature Nanotechnology para escrever um artigo de revisão. Mas a dupla optou por se aprofundar e apresentar a física fundamental que pode explicar grande parte da pesquisa em metamateriais quânticos de elétrons. Em vez disso, eles escreveram um artigo de perspectiva que prevê a situação atual do campo e discute seu futuro.

"Pesquisadores, inclusive em nossos próprios laboratórios, estavam explorando uma variedade de metamateriais, mas ninguém havia dado ao campo nem mesmo um nome, "disse Gabor, que dirige o laboratório de optoeletrônica de materiais quânticos na UCR. "Essa era a nossa intenção ao escrever a perspectiva. Somos os primeiros a codificar a física subjacente. De certa forma, estamos expressando a tabela periódica desse novo e estimulante campo. Tem sido uma tarefa hercúlea codificar todo o trabalho que foi feito até agora e apresentar um quadro unificador. As ideias e experimentos amadureceram, e a literatura mostra que houve um rápido progresso na criação de materiais quânticos para elétrons. Era hora de controlar tudo sob o mesmo guarda-chuva e oferecer um roteiro aos pesquisadores para categorizar os trabalhos futuros. "

Na perspectiva, Gabor e Song coletam exemplos iniciais em metamateriais de elétrons e destilam estratégias de design emergentes para controle eletrônico a partir deles. Eles escrevem que um dos aspectos mais promissores do novo campo ocorre quando os elétrons em amostras de estrutura de comprimento de onda interagem para exibir um comportamento emergente inesperado.

"O comportamento da supercondutividade no grafeno de dupla camada torcida que surgiu foi uma surpresa, "Disse Gabor." Isso mostra, notavelmente, como as interações de elétrons e as características de comprimento de onda poderiam funcionar juntas em metamateriais quânticos para produzir fenômenos radicalmente novos. São exemplos como esse que pintam um futuro empolgante para metamateriais eletrônicos. Até agora, apenas preparamos o terreno para muitos novos trabalhos que virão. "