p Uma equipe de pesquisa internacional liderada pela Universidade de Manchester revelou um nanomaterial que reflete o efeito do "ângulo mágico" originalmente encontrado em uma estrutura artificial complexa conhecida como grafeno de dupla camada torcida - uma área-chave de estudo da física nos últimos anos. p A nova pesquisa mostra que a topologia especial de grafite romboédrica efetivamente fornece uma "torção" embutida e, portanto, oferece um meio alternativo para estudar efeitos potencialmente revolucionários, como a supercondutividade. "É uma alternativa interessante aos estudos altamente populares de grafeno de ângulo mágico", disse o professor Sir Andre Geim, pioneiro do grafeno. um co-autor do estudo.

p O time, liderado por Artem Mishchenko, Professor de Física da Matéria Condensada da Universidade de Manchester publicou suas descobertas na revista Natureza em 12 de agosto de 2020.

p "Grafite romboédrica pode ajudar a entender melhor os materiais nos quais fortes correlações eletrônicas são importantes, como compostos de férmions pesados ​​e supercondutores de alta temperatura", disse o professor Mishchenko.

p Um passo anterior na pesquisa de materiais bidimensionais foi o comportamento curioso de que empilhar uma folha de grafeno sobre a outra e torcê-la em um 'ângulo mágico' mudou as propriedades da bicamada, transformando-o em um supercondutor.

p O professor Mishchenko e seus colegas observaram agora o surgimento de fortes interações elétron-elétron em uma forma romboédrica fracamente estável de grafite - a forma em que as camadas de grafeno se empilham de maneira ligeiramente diferente em comparação com a forma hexagonal estável.

p As interações no grafeno de dupla camada torcida são excepcionalmente sensíveis ao ângulo de torção. Pequenos desvios de cerca de 0,1 grau do ângulo mágico exato suprimem fortemente as interações. É extremamente difícil fazer dispositivos com a precisão necessária e, especialmente, encontre outros suficientemente uniformes para estudar a emocionante física envolvida. As descobertas recentemente publicadas sobre grafite romboédrica agora abriram uma rota alternativa para fazer dispositivos supercondutores com precisão.

p Grafite, um material de carbono feito de camadas de grafeno empilhadas, tem duas formas estáveis:hexagonal e romboédrica. O primeiro é mais estável, e, portanto, foi amplamente estudado, enquanto o último é menos.

p Para entender melhor o novo resultado, é importante lembrar que as camadas de grafeno são empilhadas de maneiras diferentes nessas duas formas de grafite. Grafite hexagonal (a forma de carbono encontrada na grafite de lápis) é composta de camadas de grafeno empilhadas ordenadamente umas sobre as outras. A forma romboédrica metaestável tem uma ordem de empilhamento ligeiramente diferente, e essa ligeira diferença leva a uma mudança drástica em seu espectro eletrônico.

p Estudos teóricos anteriores apontaram para a existência de todos os tipos de física de muitos corpos nos estados de superfície da grafite romboédrica - incluindo ordenação magnética de alta temperatura e supercondutividade. Essas previsões não puderam ser verificadas, Contudo, já que as medições de transporte de elétrons no material eram completamente inexistentes até agora.

p A equipe de Manchester tem estudado filmes de grafite hexagonal por vários anos e desenvolveu tecnologias avançadas para produzir amostras de alta qualidade. Uma de suas técnicas envolve encapsular os filmes com um isolador atomicamente plano, nitreto de boro hexagonal (hBN), que serve para preservar a alta qualidade eletrônica nas heteroestruturas hBN / grafite hexagonal / hBN resultantes. Em seus novos experimentos com grafite romboédrica, os pesquisadores modificaram sua tecnologia para preservar a ordem de empilhamento frágil dessa forma menos estável de grafite.

p Os pesquisadores fizeram imagens de suas amostras, que continha até 50 camadas de grafeno, usando espectroscopia Raman para confirmar que a ordem de empilhamento no material permaneceu intacta e que era de alta qualidade. Eles então mediram as propriedades de transporte eletrônico de suas amostras da maneira tradicional - registrando a resistência do material à medida que mudavam a temperatura e a força de um campo magnético aplicado a ele.

p A lacuna de energia também pode ser aberta nos estados de superfície da grafite romboédrica aplicando um campo elétrico, explica o professor Mishchenko:"A abertura da lacuna no estado de superfície, que foi previsto teoricamente, também é uma confirmação independente da natureza romboédrica das amostras, uma vez que tal fenômeno é proibido no grafite hexagonal. "

p Em grafite romboédrica mais fina que 4 nm, um gap está presente mesmo sem a aplicação de um campo elétrico externo. Os pesquisadores dizem que ainda não têm certeza da natureza exata dessa abertura espontânea de gap (que ocorre na "neutralidade de carga" - o ponto em que as densidades de elétrons e buracos estão equilibradas), mas eles estão ocupados trabalhando para responder a essa pergunta.

p "De nossos experimentos no regime de Hall quântico, vemos que a lacuna é de natureza Hall de spin quântico, mas não sabemos se a abertura espontânea da lacuna na neutralidade de carga é da mesma origem, "acrescenta o professor Mishchenko." No nosso caso, essa abertura foi acompanhada por um comportamento histérico da resistência do material em função de campos elétricos ou magnéticos aplicados. Essa histerese (na qual a mudança de resistência fica atrás dos campos aplicados) implica que existem diferentes fases com lacunas eletrônicas separadas em domínios - e essas são típicas de materiais fortemente correlacionados. "

p Uma investigação mais aprofundada da grafite romboédrica pode lançar mais luz sobre a origem dos fenômenos de muitos corpos em materiais fortemente correlacionados, como compostos de férmions pesados ​​e supercondutores de alta temperatura, para citar apenas dois exemplos.