p Às vezes, as melhores descobertas acontecem quando os cientistas menos esperam. Ao tentar replicar a descoberta de outra equipe, Os físicos de Stanford descobriram recentemente uma nova forma de magnetismo, previsto, mas nunca visto antes, que é gerado quando duas redes de carbono em forma de favo de mel são cuidadosamente empilhadas e giradas em um ângulo especial. p Os autores sugerem o magnetismo, chamado ferromagnetismo orbital, pode ser útil para certas aplicações, como a computação quântica. O grupo descreve sua descoberta na edição de 25 de julho da revista. Ciência .

p "Não estávamos visando o magnetismo. Descobrimos o que pode ser a coisa mais empolgante em minha carreira até agora por meio de exploração parcialmente direcionada e parcialmente acidental, "disse o líder do estudo David Goldhaber-Gordon, professor de física na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford. "Nossa descoberta mostra que as coisas mais interessantes às vezes se transformam em surpresas."

p Os pesquisadores de Stanford inadvertidamente fizeram sua descoberta enquanto tentavam reproduzir uma descoberta que estava enviando ondas de choque pela comunidade da física. No início de 2018, O grupo de Pablo Jarillo-Herrero no MIT anunciou que havia persuadido uma pilha de duas folhas sutilmente desalinhadas de átomos de carbono - grafeno de camada dupla torcida - para conduzir eletricidade sem resistência, uma propriedade conhecida como supercondutividade.

p A descoberta foi uma confirmação impressionante de uma previsão de quase uma década de que as folhas de grafeno giradas em um ângulo muito particular deveriam exibir fenômenos interessantes.

p Quando empilhado e torcido, o grafeno forma uma superrede com uma interferência repetida, ou moiré, padronizar. "É como quando você toca dois tons musicais com frequências ligeiramente diferentes, "Goldhaber-Gordon disse." Você terá uma batida entre os dois que está relacionada à diferença entre suas frequências. Isso é semelhante ao que você obtém se empilhar duas treliças uma sobre a outra e torcê-las para que não fiquem perfeitamente alinhadas. "

p Os físicos teorizaram que a superrede particular formada quando o grafeno girado a 1,1 graus faz com que os estados de energia normalmente variados dos elétrons no material entrem em colapso, criando o que eles chamam de banda plana, onde a velocidade com que os elétrons se movem cai para quase zero. Assim desacelerado, os movimentos de qualquer elétron tornam-se altamente dependentes dos movimentos de outros em sua vizinhança. Essas interações estão no cerne de muitos estados quânticos exóticos da matéria.

p "Achei incrível a descoberta da supercondutividade neste sistema. Foi mais do que qualquer um tinha o direito de esperar, "Goldhaber-Gordon disse." Mas eu também senti que havia muito mais para explorar e muitas outras perguntas para responder, então, tentamos reproduzir o trabalho e ver como poderíamos construí-lo. "

p Uma série de eventos afortunados

p Ao tentar duplicar os resultados da equipe do MIT, Goldhaber-Gordon e seu grupo introduziram duas mudanças aparentemente sem importância.

p Primeiro, enquanto encapsula as redes de carbono em forma de favo de mel em camadas finas de nitreto de boro hexagonal, os pesquisadores inadvertidamente giraram uma das camadas protetoras em quase alinhamento com o grafeno de dupla camada torcida.

p "Acontece que se você quase alinhar a estrutura do nitreto de boro com a estrutura do grafeno, você muda dramaticamente as propriedades elétricas do grafeno de dupla camada torcida, "disse o co-autor do estudo Aaron Sharpe, um estudante de graduação no laboratório de Goldhaber-Gordon.

p Em segundo lugar, o grupo ultrapassou intencionalmente o ângulo de rotação entre as duas folhas de grafeno. Em vez de 1,1 graus, eles apontavam para 1,17 graus porque outros haviam mostrado recentemente que as folhas de grafeno torcidas tendem a se acomodar em ângulos menores durante o processo de fabricação.

p "Descobrimos que se pretendêssemos 1,17 graus, então ele vai voltar para 1,1 graus, e seremos felizes, "Goldhaber-Gordon disse." Em vez disso, obtivemos 1,2 graus. "

p Um sinal anômalo

p As consequências dessas pequenas mudanças não se tornaram aparentes até que os pesquisadores de Stanford começaram a testar as propriedades de sua amostra de grafeno torcido. Em particular, eles queriam estudar como suas propriedades magnéticas mudavam à medida que sua banda plana - aquela coleção de estados onde os elétrons desaceleram até quase zero - eram preenchidos ou esvaziados de elétrons.

p Ao bombear elétrons em uma amostra que foi resfriada perto do zero absoluto, Sharpe detectou uma grande voltagem elétrica perpendicular ao fluxo da corrente quando a faixa plana estava três quartos cheia. Conhecida como tensão Hall, tal tensão normalmente só aparece na presença de um campo magnético externo - mas, neste caso, a voltagem persistiu mesmo após o campo magnético externo ter sido desligado.

p Este efeito Hall anômalo só poderia ser explicado se a amostra de grafeno estivesse gerando seu próprio campo magnético interno. Além disso, este campo magnético não poderia ser o resultado do alinhamento do estado de spin para cima ou para baixo dos elétrons, como é normalmente o caso de materiais magnéticos, mas, em vez disso, deve ter surgido de seus movimentos orbitais coordenados.

p "Para nosso conhecimento, este é o primeiro exemplo conhecido de ferromagnetismo orbital em um material, "Goldhaber-Gordon disse." Se o magnetismo fosse devido à polarização do spin, você não esperaria ver um efeito Hall. Não vemos apenas um efeito Hall, mas um grande efeito Hall. "

p Força na fraqueza

p Os pesquisadores estimam que o campo magnético próximo à superfície de sua amostra de grafeno torcido é cerca de um milhão de vezes mais fraco do que o de um ímã de geladeira convencional, mas essa fraqueza pode ser um ponto forte em certos cenários, como a construção de memória para computadores quânticos.

p "Nosso grafeno de dupla camada magnética pode ser ligado com uma potência muito baixa e pode ser lido eletronicamente com muita facilidade, "Goldhaber-Gordon disse." O fato de não haver um grande campo magnético estendendo-se para fora do material significa que você pode compactar bits magnéticos muito próximos, sem se preocupar com interferência.

p O laboratório de Goldhaber-Gordon ainda não acabou de explorar o grafeno de dupla camada torcida. O grupo planeja fazer mais amostras usando técnicas de fabricação aprimoradas recentemente, a fim de investigar melhor o magnetismo orbital.