p Por mais de uma década, físicos teóricos previram que a singularidade de van Hove do grafeno poderia estar associada a diferentes fases exóticas da matéria, a mais notável delas é a supercondutividade quiral. p Uma singularidade de van Hove é essencialmente um ponto não suave na densidade de estados (DOS) de um sólido cristalino. Quando o grafeno atinge ou está próximo a este nível de energia específico, uma banda plana se desenvolve em sua estrutura eletrônica que pode ocupar um número excepcionalmente grande de elétrons. Isso leva a fortes interações entre muitos corpos que promovem ou permitem a existência de estados exóticos da matéria.

p Até aqui, o grau exato em que os níveis de energia disponíveis de grafeno precisam ser preenchidos com elétrons (ou seja, "dopado") para que as fases individuais se estabilizem tem sido muito difícil de determinar usando cálculos de modelo. Identificar ou projetar técnicas que podem ser usadas para dopar grafeno para ou além da singularidade de van Hove pode, em última análise, levar a observações interessantes relacionadas a fases exóticas da matéria, o que poderia, por sua vez, abrir caminho para o desenvolvimento de uma nova tecnologia baseada no grafeno.

p Pesquisadores do Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido em Stuttgart, A Alemanha recentemente desenvolveu uma abordagem para over-dope grafeno além da singularidade de van Hove. Seu método, apresentado em um artigo publicado em Cartas de revisão física , combina duas técnicas diferentes, nomeadamente intercalação de itérbio e adsorção de potássio.

p "Uma densidade de elétrons sintonizável experimentalmente na vizinhança da singularidade de van Hove seria altamente desejável, "Philipp Rosenzweig, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Experimentos anteriores demonstraram que o grafeno pode de fato ser estabilizado ('fixado') no nível de van Hove e que os portadores de carga podem ser posteriormente removidos deste cenário de fixação. A pergunta que fizemos, Contudo, também podemos transferir mais elétrons para a camada de grafeno, superar a fixação de van Hove e over-dope além da singularidade? Além da pura prova de princípio, isso abriria um playground inexplorado de fases correlacionadas com promessas emocionantes. "

p Dopar grafeno para a singularidade de van Hove é uma tarefa desafiadora em si, pois requer a transferência de mais de 100 trilhões (10 ¹⁴ ) elétrons por cm ² na camada de grafeno. A dopagem do grafeno pode ser conseguida depositando outras espécies atômicas sobre ele, que doam alguns de seus elétrons para ele.

p Um método alternativo para dopagem de grafeno, conhecido como intercalação, envolve a junção de agentes dopantes entre o grafeno e seu substrato de suporte. Na última década, esta técnica tem se mostrado altamente útil para ajustar as propriedades eletrônicas do material.

p Tipicamente, mesmo quando as abordagens de deposição e intercalação são combinadas, a densidade do portador do grafeno é difícil de aumentar para um valor arbitrário. Isso ocorre principalmente porque a transferência de carga eventualmente saturará, impedindo-o de ser dopado acima de um certo nível.

p "Recentemente, descobrimos que a intercalação de certos elementos de terras raras, devido à sua enorme eficiência de dopagem, já é suficiente para fixar o grafeno em sua singularidade de van Hove, "Rosenzweig disse." Nesse caso, a superfície do grafeno ainda permanece livre para ocupar dopantes adicionais. A partir do cenário de van Hove de grafeno intercalado com itérbio, depositando átomos de potássio no topo, fomos, portanto, capazes de aumentar a densidade do portador por outro fator de 1,5, indo muito além do nível de singularidade. "

p Em seus experimentos, os pesquisadores usaram métodos de intercalação de itérbio e adsorção de potássio. Esta abordagem permitiu que eles dopassem uma camada de grafeno colocada em um substrato de carboneto de silício semicondutor (SiC) além da singularidade de van Hove, atingindo uma densidade de portador de carga de 5,5 x 10 ¹⁴ cm ^-2 .

p "Você poderia comparar a estratégia que usamos com uma situação da vida diária em que um objeto volumoso precisa ser carregado escada acima até o último andar (no nosso caso, além da singularidade de van Hove), "Rosenzweig explicou." Isso só pode ser possível empurrando simultaneamente de baixo (ou seja, intercalação de itérbio) e puxando do topo (ou seja, adsorção de potássio). "

p O estudo realizado por Rosenzweig e seus colegas prova que o doping de grafeno além de sua singularidade de van Hove em um ambiente experimental é de fato possível. Os pesquisadores examinaram seu sistema de grafeno usando uma técnica chamada espectroscopia de fotoelétrons com resolução de ângulo, em testes realizados no síncrotron BESSY II, Helmholtz-Zentrum Berlin. Este método permite a visualização direta da estrutura da banda de energia do grafeno e sua evolução por meio de dopagem.

p "A viabilidade do over-doping estava longe de ser clara, como o sistema é primeiro fixado ao nível de singularidade ocupando um grande número de portadores de carga, "Rosenzweig disse." Praticamente, empurrando a dopagem do grafeno para novos níveis, nosso estudo também abre uma paisagem nova e inexplorada no diagrama de fases deste protótipo de material bidimensional. Como tal, esperamos que nosso trabalho contribua para reforçar a busca por estados fundamentais correlacionados em grafeno monocamada, o que definitivamente seria de interesse em vários subcampos da física. "

p No futuro, as descobertas reunidas por Rosenzweig e seus colegas podem abrir novas possibilidades interessantes para o estudo de estados exóticos da matéria no grafeno que é dopado além de sua singularidade de van Hove. Além disso, este estudo recente pode aumentar a compreensão atual das fortes interações não locais de muitos corpos no grafeno dopado com van Hove que têm efeitos de deformação substanciais em seus níveis de energia. Os pesquisadores demonstraram que tais efeitos ainda estão presentes no regime superdopado e que se tornam cada vez mais à medida que o grafeno se aproxima da singularidade de van Hove. Os dados que eles reuniram também podem inspirar o desenvolvimento de novos modelos teóricos que vão além da teoria convencional dos líquidos de Fermi.

p "Agora que podemos ajustar rotineiramente o nível de dopagem em experimentos em torno do nível de van Hove, procuramos qualquer uma das várias fases exóticas previstas pela teoria, "Rosenzweig concluiu." Para atirar nas estrelas, perceber a supercondutividade não convencional em uma monocamada de grafeno epitaxial seria, obviamente, uma descoberta inovadora que poderia um dia levar a aplicações tecnológicas. Em todo o caso, tempos emocionantes estão à frente para o grafeno dopado com van-Hove. " p © 2020 Science X Network