p Os cientistas podem ter objetivos ambiciosos:curar doenças, explorando mundos distantes, revoluções de energia limpa. Em física e pesquisa de materiais, alguns desses objetivos ambiciosos são fazer objetos de som comum com propriedades extraordinárias:fios que podem transportar energia sem qualquer perda de energia, ou computadores quânticos que podem realizar cálculos complexos que os computadores de hoje não podem realizar. E as bancadas de trabalho emergentes para os experimentos que gradualmente nos movem em direção a esses objetivos são materiais 2-D - folhas de material com a espessura de uma única camada de átomos. p Em um artigo publicado em 14 de setembro na revista Física da Natureza , uma equipe liderada pela Universidade de Washington relata que pilhas cuidadosamente construídas de grafeno - uma forma 2-D de carbono - podem exibir propriedades eletrônicas altamente correlacionadas. A equipe também encontrou evidências de que esse tipo de comportamento coletivo provavelmente está relacionado ao surgimento de estados magnéticos exóticos.

p "Criamos uma configuração experimental que nos permite manipular elétrons nas camadas de grafeno de várias maneiras novas e interessantes, "disse o co-autor sênior Matthew Yankowitz, professor assistente de física e ciência dos materiais e engenharia da UW, bem como pesquisador docente do Instituto de Energia Limpa da UW.

p Yankowitz liderou a equipe com o co-autor sênior Xiaodong Xu, um professor UW de física e de ciência e engenharia de materiais. Xu também é pesquisador docente do Instituto de Ciências e Engenharia Molecular da UW, o UW Institute for Nano-Engineered Systems e o UW Clean Energy Institute.

p Como os materiais 2-D têm a espessura de uma camada de átomos, ligações entre átomos só se formam em duas dimensões e partículas como elétrons só podem se mover como peças em um jogo de tabuleiro:lado a lado, da frente para trás ou diagonalmente, mas não para cima ou para baixo. Essas restrições podem imbuir materiais 2-D com propriedades que faltam em suas contrapartes 3-D, e os cientistas têm investigado folhas 2-D de diferentes materiais para caracterizar e compreender essas qualidades potencialmente úteis.

p Mas na última década, cientistas como Yankowitz também começaram a estratificar materiais 2-D - como uma pilha de panquecas - e descobriram que, se empilhado e girado em uma configuração particular e exposto a temperaturas extremamente baixas, essas camadas podem exibir propriedades exóticas e inesperadas.

p A equipe UW trabalhou com blocos de construção de grafeno de duas camadas:duas folhas de grafeno naturalmente colocadas juntas. Eles empilharam uma bicamada em cima da outra - para um total de quatro camadas de grafeno - e as torceram de modo que o layout dos átomos de carbono entre as duas bicamadas ficasse ligeiramente fora de alinhamento. Pesquisas anteriores mostraram que a introdução desses pequenos ângulos de torção entre camadas únicas ou bicamadas de grafeno pode ter grandes consequências para o comportamento de seus elétrons. Com configurações específicas do campo elétrico e distribuição de carga nas bicamadas empilhadas, elétrons exibem comportamentos altamente correlacionados. Em outras palavras, todos eles começam a fazer a mesma coisa - ou exibir as mesmas propriedades - ao mesmo tempo.

p "Nesses casos, não faz mais sentido descrever o que um elétron individual está fazendo, mas o que todos os elétrons estão fazendo ao mesmo tempo, "disse Yankowitz.

p "É como ter uma sala cheia de pessoas em que uma mudança no comportamento de qualquer pessoa fará com que todas as outras reajam da mesma forma, "disse o autor principal Minhao He, um estudante de doutorado em física da UW e um ex-bolsista do Clean Energy Institute.

p A mecânica quântica é a base dessas propriedades correlacionadas, e uma vez que as bicamadas de grafeno empilhadas têm uma densidade de mais de 10 ^ 12, ou um trilhão, elétrons por centímetro quadrado, muitos elétrons estão se comportando coletivamente.

p A equipe procurou desvendar alguns dos mistérios dos estados correlacionados em sua configuração experimental. Em temperaturas de apenas alguns graus acima do zero absoluto, a equipe descobriu que poderia "sintonizar" o sistema em um tipo de estado de isolamento correlacionado - onde ele não conduziria nenhuma carga elétrica. Perto desses estados de isolamento, a equipe encontrou bolsões de estados altamente condutores com características semelhantes à supercondutividade.

p Embora outras equipes tenham relatado recentemente esses estados, as origens desses recursos permaneceram um mistério. Mas o trabalho da equipe UW encontrou evidências para uma possível explicação. Eles descobriram que esses estados pareciam ser impulsionados por uma propriedade mecânica quântica dos elétrons chamada "spin" - um tipo de momento angular. Em regiões próximas aos estados de isolamento correlacionados, eles encontraram evidências de que todos os spins do elétron se alinham espontaneamente. Isso pode indicar que, perto das regiões que mostram estados de isolamento correlacionados, uma forma de ferromagnetismo está surgindo - não supercondutividade. Mas experimentos adicionais precisariam verificar isso.

p Essas descobertas são o exemplo mais recente das muitas surpresas que aguardam a realização de experimentos com materiais 2-D.

p "Muito do que estamos fazendo nesta linha de pesquisa é tentar criar, compreender e controlar estados eletrônicos emergentes, que pode ser correlacionado ou topológico, ou possuem ambas as propriedades, "disse Xu." Pode haver muito que possamos fazer com esses estados no futuro - uma forma de computação quântica, um novo dispositivo de captação de energia, ou alguns novos tipos de sensores, por exemplo - e francamente não saberemos até tentarmos. "

p Enquanto isso, espere pilhas, bicamadas e ângulos de torção para continuar fazendo ondas.