Pesquisadores da Universidade de Manchester, no Reino Unido, liderado pelo Dr. Artem Mishchenko, Prof Volodya Fal'ko e Prof Andre Geim, descobriram o efeito Hall quântico no grafite em massa - um cristal em camadas que consiste em camadas de grafeno empilhadas. Este é um resultado inesperado porque o efeito Hall quântico só é possível nos chamados sistemas bidimensionais (2-D), onde o movimento dos elétrons é restrito a um plano e deve ser proibido na direção perpendicular. Eles também descobriram que o material se comporta de maneira diferente dependendo se contém um número ímpar ou par de camadas de grafeno - mesmo quando o número de camadas no cristal excede centenas. O trabalho é uma etapa importante para a compreensão das propriedades fundamentais do grafite, que muitas vezes têm sido mal compreendidos, especialmente nos últimos anos.

Em seu trabalho, publicado em Física da Natureza , Mishchenko e seus colegas estudaram dispositivos feitos de cristais de grafite clivados, que essencialmente não contém defeitos. Os pesquisadores preservaram a alta qualidade do material também encapsulando-o em outro material em camadas de alta qualidade - nitreto de boro hexagonal. Eles moldaram seus dispositivos em uma geometria de barra Hall, o que lhes permitiu medir o transporte de elétrons na grafite fina.

"As medições eram bastante simples." explica o Dr. Jun Yin, o primeiro autor do artigo. "Passamos por uma pequena corrente ao longo da barra do Hall, aplicou um forte campo magnético perpendicular ao plano da barra de Hall e, em seguida, mediu as tensões geradas ao longo e através do dispositivo para extrair a resistividade longitudinal e a resistência de Hall.

Redução dimensional

Fal'ko, que liderou a parte teórica, disse:"Ficamos bastante surpresos quando vimos o efeito Hall quântico (QHE) - uma sequência de platôs quantizados na resistência de Hall - acompanhado por resistividade longitudinal zero em nossas amostras. Estas são espessas o suficiente para comportar-se como um semimetal em massa normal, no qual o QHE deve ser proibido. "

Os pesquisadores dizem que o QHE vem do fato de que o campo magnético aplicado força os elétrons no grafite a se moverem em uma dimensão reduzida, com condutividade permitida apenas na direção paralela ao campo. Em amostras finas o suficiente, Contudo, este movimento unidimensional pode ser quantizado graças à formação de ondas eletrônicas estacionárias. O material, portanto, passa de um sistema de elétrons 3-D para um sistema 2-D com níveis de energia discretos.

O número par / ímpar de camadas de grafeno é importante

Outra grande surpresa é que este QHE é muito sensível ao número par / ímpar de camadas de grafeno. Os elétrons do grafite são semelhantes aos do grafeno e vêm em dois "sabores" (chamados vales). As ondas estacionárias formadas a partir de elétrons de dois sabores diferentes situam-se em camadas numeradas par ou ímpares de grafite. Em filmes com número par de camadas, o número de camadas pares e ímpares é o mesmo, portanto, as energias das ondas estacionárias de diferentes sabores coincidem.

A situação é diferente em filmes com número ímpar de camadas, Contudo, porque o número de camadas pares e ímpares é diferente, isso é, sempre há uma camada ímpar extra. Isso resulta em níveis de energia das ondas estacionárias de diferentes sabores mudando em relação uns aos outros e significa que essas amostras têm lacunas de energia QHE reduzidas. O fenômeno ainda persiste para o grafite com centenas de camadas de espessura.

Observações do QHE fracionário

As descobertas inesperadas não pararam aí:os pesquisadores dizem que também observaram o QHE fracionário em grafite fino abaixo de 0,5 K. O FQHE é diferente do QHE normal e é resultado de fortes interações entre elétrons. Essas interações, que muitas vezes pode levar a fenômenos coletivos importantes, como a supercondutividade, magnetismo e superfluidez, fazer os portadores de carga em um material FQHE se comportarem como quasipartículas com carga que é uma fração da de um elétron.

"A maioria dos resultados que observamos pode ser explicada usando um modelo simples de elétron único, mas vendo o FQHE nos diz que a imagem não é tão simples, "diz Mishchenko." Existem muitas interações elétron-elétron em nossas amostras de grafite em altos campos magnéticos e baixas temperaturas, o que mostra que a física de muitos corpos é importante neste material. "

Voltando ao grafite

O grafeno tem estado no centro das atenções nos últimos 15 anos, e com razão, e o grafite foi empurrado um pouco para trás por sua prole de uma camada de espessura, Mishchenko acrescenta. "Agora voltamos a este material antigo. Conhecimento obtido com a pesquisa do grafeno, técnicas experimentais aprimoradas (como a tecnologia de montagem de van der Waals) e uma melhor compreensão teórica (novamente da física do grafeno), já nos permitiu descobrir este novo tipo de QHE em dispositivos de grafite que fizemos.

"Nosso trabalho é um novo trampolim para estudos adicionais sobre este material, incluindo a física de muitos corpos, como ondas de densidade, condensação excitônica ou cristalização de Wigner. "

O grafite estudado aqui tem empilhamento natural (Bernal), mas há outro alótropo estável de grafite - romboédrico. Não há medições de transporte relatadas neste material até agora, apenas muitas previsões teóricas, incluindo supercondutividade de alta temperatura e ferromagnetismo. Os pesquisadores de Manchester dizem que agora planejam explorar este alótropo também.

"Durante décadas, o grafite foi usado por pesquisadores como uma espécie de 'pedra filosofal' que pode fornecer todos os fenômenos prováveis ​​e improváveis, incluindo a supercondutividade à temperatura ambiente, "Geim acrescenta com um sorriso." Nosso trabalho mostra o que é, em princípio, possível neste material, pelo menos quando está em sua forma mais pura. "