p Feito de uma única camada de átomos de carbono ligados em um padrão hexagonal de favo de mel, A estrutura do grafeno é simples e aparentemente delicada. Desde sua descoberta em 2004, os cientistas descobriram que o grafeno é de fato excepcionalmente forte. E embora o grafeno não seja um metal, ele conduz eletricidade em velocidades ultra-altas, melhor do que a maioria dos metais. p Em 2018, Cientistas do MIT liderados por Pablo Jarillo-Herrero e Yuan Cao descobriram que, quando duas folhas de grafeno são empilhadas em um ângulo "mágico" ligeiramente deslocado, a nova estrutura de grafeno "torcida" pode se tornar um isolante, bloqueando completamente a eletricidade de fluir através do material, ou paradoxalmente, um supercondutor, capaz de permitir que os elétrons voem sem resistência. Foi uma descoberta monumental que ajudou a lançar um novo campo conhecido como "twistronics, "o estudo do comportamento eletrônico em grafeno trançado e outros materiais.

p Agora, a equipe do MIT relata seus últimos avanços em twistrônica de grafeno, em dois artigos publicados esta semana na revista Natureza .

p No primeiro estudo, Os pesquisadores, junto com colaboradores do Weizmann Institute of Science, ter imaginado e mapeado uma estrutura inteira de grafeno torcido pela primeira vez, com uma resolução boa o suficiente para que eles sejam capazes de ver variações muito pequenas no ângulo de torção local em toda a estrutura.

p Os resultados revelaram regiões dentro da estrutura onde o ângulo entre as camadas de grafeno desviou ligeiramente do deslocamento médio de 1,1 graus.

p A equipe detectou essas variações em uma resolução angular ultra-alta de 0,002 graus. Isso equivale a ser capaz de ver o ângulo de uma maçã contra o horizonte a uma milha de distância.

p Eles descobriram que estruturas com uma gama mais estreita de variações de ângulos tinham propriedades exóticas mais pronunciadas, como isolamento e supercondutividade, versus estruturas com uma gama mais ampla de ângulos de torção.

p "Esta é a primeira vez que um dispositivo inteiro foi mapeado para ver qual é o ângulo de torção em uma determinada região do dispositivo, "diz Jarillo-Herrero, o Cecil e Ida Green Professor de Física no MIT. "E vemos que você pode ter um pouco de variação e ainda mostrar supercondutividade e outras físicas exóticas, mas não pode ser muito. Agora caracterizamos quanta variação de torção você pode ter, e qual é o efeito de degradação de comer demais. "

p No segundo estudo, a equipe relatou a criação de uma nova estrutura de grafeno trançado com não dois, mas quatro camadas de grafeno. Eles observaram que a nova estrutura de ângulo mágico de quatro camadas é mais sensível a certos campos elétricos e magnéticos em comparação com seu antecessor de duas camadas. Isso sugere que os pesquisadores podem estudar mais fácil e controladamente as propriedades exóticas do grafeno de ângulo mágico em sistemas de quatro camadas.

p "Esses dois estudos têm como objetivo compreender melhor o intrigante comportamento físico dos dispositivos twistrônicos de ângulo mágico, "diz Cao, um estudante de pós-graduação no MIT. "Uma vez compreendido, os físicos acreditam que esses dispositivos podem ajudar a projetar e projetar uma nova geração de supercondutores de alta temperatura, dispositivos topológicos para processamento de informações quânticas, e tecnologias de baixo consumo de energia. "

p Como rugas em filme plástico

p Desde Jarillo-Herrero e seu grupo descobriram o grafeno de ângulo mágico pela primeira vez, outros aproveitaram a chance de observar e medir suas propriedades. Vários grupos criaram imagens de estruturas de ângulos mágicos, usando microscopia de tunelamento de varredura, ou STM, uma técnica que varre uma superfície em nível atômico. Contudo, pesquisadores só conseguiram escanear pequenos fragmentos de grafeno de ângulo mágico, abrangendo no máximo algumas centenas de nanômetros quadrados, usando esta abordagem.

p "Percorrer toda uma estrutura em escala de mícron para observar milhões de átomos é algo para o qual o STM não é mais adequado, "Jarillo-Herrero diz." Em princípio, isso poderia ser feito, mas levaria muito tempo. "

p Então, o grupo consultou pesquisadores do Instituto Weizmann de Ciência, que desenvolveu uma técnica de varredura que eles chamam de "varredura nano-SQUID, "onde SQUID significa Dispositivo Supercondutor de Interferência Quântica. SQUIDs convencionais se assemelham a um pequeno anel bissecionado, as duas metades são feitas de material supercondutor e unidas por duas junções. Fit around the tip of a device similar to an STM, a SQUID can measure a sample's magnetic field flowing through the ring at a microscopic scale. The Weizmann Institute researchers scaled down the SQUID design to sense magnetic fields at the nanoscale.

p When magic-angle graphene is placed in a small magnetic field, it generates persistent currents across the structure, due to the formation of what are known as "Landau levels." These Landau levels, and hence the persistent currents, are very sensitive to the local twist angle, por exemplo, resulting in a magnetic field with a different magnitude, depending on the precise value of the local twist angle. In this way, the nano-SQUID technique can detect regions with tiny offsets from 1.1 degrees.

p "It turned out to be an amazing technique that can pick up miniscule angle variations of 0.002 degrees away from 1.1 degrees, " Jarillo-Herrero says. "This was very good for mapping magic-angle graphene."

p The group used the technique to map two magic-angle structures:one with a narrow range of twist variations, and another with a broader range.

p "We placed one sheet of graphene on top of another, similar to placing plastic wrap on top of plastic wrap, " Jarillo-Herrero says. "You would expect there would be wrinkles, and regions where the two sheets would be a bit twisted, some less twisted, just as we see in graphene."

p They found that the structure with a narrower range of twist variations had more pronounced properties of exotic physics, como supercondutividade, compared with the structure with more twist variations.

p "Now that we can directly see these local twist variations, it might be interesting to study how to engineer variations in twist angles to achieve different quantum phases in a device, "Cao diz.

p Tunable physics

p Over the past two years, researchers have experimented with different configurations of graphene and other materials to see whether twisting them at certain angles would bring out exotic physical behavior. Jarillo-Herrero's group wondered whether the fascinating physics of magic-angle graphene would hold up if they expanded the structure, to offset not two, but four graphene layers.

p Since graphene's discovery nearly 15 years ago, a huge amount of information has been revealed about its properties, not just as a single sheet, but also stacked and aligned in multiple layers—a configuration that is similar to what you find in graphite, or pencil lead.

p "Bilayer graphene—two layers at a 0-degree angle from each-other—is a system whose properties we understand well, " Jarillo-Herrero says. "Theoretical calculations have shown that in a bilayer-on-top-of-bilayer structure, the range of angles over which interesting physics would happen is larger. So this type of structure might be more forgiving in terms of making devices."

p Partly inspired by this theoretical possibility, the researchers fabricated a new magic-angle structure, offsetting one graphene bilayer with another bilayer by 1.1 degrees. They then connected the new "double-layer" twisted structure to a battery, applied a voltage, and measured the current that flowed through the device as they placed the structure under various conditions, such as a magnetic field, and a perpendicular electric field.

p Just like magic-angle structures made from two layers of graphene, the new four-layered structure showed an exotic insulating behavior. But uniquely, the researchers were able to tune this insulating property up and down with an electric field—something that's not possible with two-layered magic-angle graphene.

p "This system is highly tunable, meaning we have a lot of control, which will allow us to study things we cannot understand with monolayer magic-angle graphene, "Cao diz.

p "It's still very early in the field, " Jarillo-Herrero says. "For the moment, the physics community is still fascinated just by the phenomena of it. People fantasize about what type of devices we could make but realize it's still too early and we have so much yet to learn about these systems." p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.