Desde a descoberta do grafeno, há mais de 15 anos, pesquisadores estão em uma corrida global para desbloquear suas propriedades exclusivas. Não é apenas o grafeno - uma folha de carbono com a espessura de um átomo arranjada em uma rede hexagonal - o mais forte, material mais fino conhecido pelo homem, é também um excelente condutor de calor e eletricidade.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Columbia University e da University of Washington descobriu que uma variedade de estados eletrônicos exóticos, incluindo uma forma rara de magnetismo, pode surgir em uma estrutura de grafeno de três camadas.

Os resultados aparecem em um artigo publicado em 12 de outubro em Física da Natureza .

O trabalho foi inspirado em estudos recentes de monocamadas torcidas ou bicamadas torcidas de grafeno, compreendendo duas ou quatro folhas no total. Descobriu-se que esses materiais hospedam uma série de estados eletrônicos incomuns, impulsionados por fortes interações entre elétrons.

"Ficamos imaginando o que aconteceria se combinássemos monocamadas e bicamadas de grafeno em um sistema trançado de três camadas, "disse Cory Dean, professor de física na Columbia University e um dos autores seniores do artigo. "Descobrimos que a variação do número de camadas de grafeno confere a esses materiais compostos algumas propriedades novas e interessantes que não tinham sido vistas antes."

Além de Dean, Professor Assistente Matthew Yankowitz e Professor Xiaodong Xu, ambos nos departamentos de física e ciência dos materiais e engenharia da Universidade de Washington, são autores seniores do trabalho. Shaowen Chen, estudante de pós-graduação da Columbia, e o aluno de pós-graduação da Universidade de Washington, Minhao He, são os co-autores principais do artigo.

Para conduzir seu experimento, os pesquisadores empilharam uma folha monocamada de grafeno em uma folha bicamada e a torceram cerca de 1 grau. Em temperaturas alguns graus acima do zero absoluto, a equipe observou uma série de estados de isolamento - que não conduzem eletricidade - impulsionados por fortes interações entre elétrons. Eles também descobriram que esses estados poderiam ser controlados pela aplicação de um campo elétrico nas folhas de grafeno.

"Aprendemos que a direção de um campo elétrico aplicado é muito importante, "disse Yankowitz, que também é um ex-pesquisador de pós-doutorado no grupo de Dean.

Quando os pesquisadores apontaram o campo elétrico em direção à folha de grafeno monocamada, o sistema se assemelhava ao grafeno de duas camadas torcidas. Mas quando eles mudaram a direção do campo elétrico e apontaram para a folha de grafeno de duas camadas, ele imitava o grafeno de dupla camada dupla torcida - a estrutura de quatro camadas.

A equipe também descobriu novos estados magnéticos no sistema. Ao contrário dos ímãs convencionais, que são impulsionados por uma propriedade mecânica quântica de elétrons chamada "spin, "um movimento de redemoinho coletivo dos elétrons na estrutura de três camadas da equipe é a base do magnetismo, eles observaram.

Essa forma de magnetismo foi descoberta recentemente por outros pesquisadores em várias estruturas de grafeno apoiadas em cristais de nitreto de boro. A equipe agora demonstrou que também pode ser observado em um sistema mais simples construído inteiramente com grafeno.

"O carbono puro não é magnético, "disse Yankowitz." Notavelmente, podemos projetar essa propriedade organizando nossas três folhas de grafeno nos ângulos de torção corretos. "

Além do magnetismo, o estudo descobriu sinais de topologia na estrutura. Semelhante a amarrar diferentes tipos de nós em uma corda, as propriedades topológicas do material podem levar a novas formas de armazenamento de informações, que "pode ​​ser uma plataforma para computação quântica ou novos tipos de aplicativos de armazenamento de dados com eficiência energética, "Xu disse.

Por enquanto, eles estão trabalhando em experimentos para entender melhor as propriedades fundamentais dos novos estados que descobriram nesta plataforma. "Este é realmente apenas o começo, "disse Yankowitz.