Um grupo de pesquisadores liderados por Sir Andre Geim e Dr. Alexey Berdyugin da Universidade de Manchester descobriram e caracterizaram uma nova família de quasipartículas denominadas 'férmions Brown-Zak' em superredes à base de grafeno.

A equipe alcançou essa descoberta alinhando a estrutura atômica de uma camada de grafeno com a de uma folha isolante de nitreto de boro, mudando dramaticamente as propriedades da folha de grafeno.

O estudo segue anos de avanços sucessivos em superredes de nitreto de grafeno-boro que permitiram a observação de um padrão fractal conhecido como a borboleta de Hofstadter - e hoje (sexta-feira, 13 de novembro) os pesquisadores relatam outro comportamento altamente surpreendente de partículas em tais estruturas sob campo magnético aplicado.

"É bem conhecido, que em campo magnético zero, elétrons se movem em trajetórias retas e se você aplicar um campo magnético eles começam a se dobrar e se mover em círculos ", explicam Julien Barrier e Dr. Piranavan Kumaravadivel, quem realizou o trabalho experimental.

"Em uma camada de grafeno que foi alinhada com o nitreto de boro, elétrons também começam a se dobrar, mas se você definir o campo magnético em valores específicos, os elétrons se movem em trajetórias em linha reta novamente, como se não houvesse mais campo magnético! "

"Esse comportamento é radicalmente diferente da física dos livros didáticos." acrescenta o Dr. Piranavan Kumaravadivel.

"Atribuímos este comportamento fascinante à formação de novas quasipartículas em alto campo magnético, "diz o Dr. Alexey Berdyugin." Essas quasipartículas têm suas próprias propriedades únicas e mobilidade excepcionalmente alta, apesar do campo magnético extremamente alto. "

Conforme publicado em Nature Communications , o trabalho descreve como os elétrons se comportam em uma superrede de grafeno de altíssima qualidade com uma estrutura revisada para as características fractais da borboleta de Hofstadter. Melhorias fundamentais na fabricação de dispositivos de grafeno e técnicas de medição na última década tornaram este trabalho possível.

"O conceito de quasipartículas é indiscutivelmente um dos mais importantes na física da matéria condensada e sistemas quânticos de muitos corpos. Foi introduzido pelo físico teórico Lev Landau na década de 1940 para descrever os efeitos coletivos como uma 'excitação de uma partícula', "explica Julien Barrier" Eles são usados ​​em uma série de sistemas complexos para compensar os efeitos de muitos corpos. "

Até agora, o comportamento dos elétrons coletivos em superredes de grafeno foram pensados ​​em termos do férmion de Dirac, uma quasipartícula que tem propriedades únicas que se assemelham a fótons (partículas sem massa), que se replicam em campos magnéticos elevados. Contudo, isso não levou em consideração alguns recursos experimentais, como a degeneração adicional dos estados, nem correspondeu à massa finita da quasipartícula neste estado.

Os autores propõem 'férmions Brown-Zak' como a família de quasipartículas existentes em superredes sob alto campo magnético. Isso é caracterizado por um novo número quântico que pode ser medido diretamente. Interessantemente, trabalhar em temperaturas mais baixas permitiu-lhes levantar a degenerescência com interações de troca em temperaturas ultrabaixas.

"Na presença de um campo magnético, elétrons no grafeno começam a girar com órbitas quantizadas. Para férmions Brown-Zak, conseguimos restaurar uma trajetória reta de dezenas de micrômetros sob altos campos magnéticos de até 16T (500, 000 vezes o campo magnético da Terra). Sob condições específicas, as quasipartículas balísticas não sentem nenhum campo magnético efetivo, "explicam o Dr. Kumaravadivel e o Dr. Berdyugin.

Em um sistema eletrônico, a mobilidade é definida como a capacidade de uma partícula se deslocar com a aplicação de uma corrente elétrica. Altas mobilidades têm sido o Santo Graal na fabricação de sistemas 2-D, como o grafeno, porque tais materiais apresentariam propriedades adicionais (efeitos de hall quântico inteiro e fracionário), e potencialmente permitir a criação de transistores de ultra-alta frequência, os componentes no coração de um processador de computador.

“Para este estudo preparamos dispositivos de grafeno que são extragrandes com um nível de pureza muito alto”. diz o Dr. Kumaravadivel. Isso nos permitiu atingir mobilidades de vários milhões de cm² / Vs, o que significa que as partículas viajariam direto por todo o dispositivo sem se espalhar. Mais importante, este não foi apenas o caso dos férmions de Dirac clássicos no grafeno, mas também realizado para os férmions Brown-Zak relatados no trabalho.

Esses férmions Brown-Zak definem novos estados metálicos, que são genéricos para qualquer sistema de superrede, não apenas o grafeno e oferece um playground para novos problemas de física da matéria condensada em outras superredes baseadas em materiais 2-D.

Julien Barrier acrescentou "As descobertas são importantes, claro para estudos fundamentais em transporte de elétrons, mas acreditamos que a compreensão de quasipartículas em novos dispositivos de super-rede sob altos campos magnéticos pode levar ao desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos. "

A alta mobilidade significa que um transistor feito de tal dispositivo pode operar em frequências mais altas, permitindo que um processador feito deste material execute mais cálculos por unidade de tempo, resultando em um computador mais rápido. Aplicar um campo magnético geralmente reduziria a mobilidade e tornaria esse dispositivo inutilizável para certas aplicações. As altas mobilidades de férmions Brown-Zak em altos campos magnéticos abrem uma nova perspectiva para dispositivos eletrônicos operando sob condições extremas.