Uma folha de grafeno de dupla camada torcida em ângulo mágico pode hospedar novas fases topológicas da matéria, um estudo revelou.

Grafeno torcido de ângulo mágico, descoberto pela primeira vez em 2018, é feito de duas folhas de grafeno (uma forma de carbono que consiste em uma única camada de átomos em um padrão de rede semelhante a um favo de mel), em camadas uma sobre a outra, com uma folha torcida precisamente 1,05 graus em relação à outra. A bicamada resultante tem propriedades eletrônicas incomuns:por exemplo, pode ser transformado em um isolante ou supercondutor, dependendo de quantos elétrons são adicionados.

A descoberta lançou um novo campo de pesquisa em grafeno torcido de ângulo mágico, conhecido como "twistronics". Na Caltech, Stevan Nadj-Perge, professor assistente de física aplicada e ciência dos materiais, está entre os pesquisadores que lideram o movimento:em 2019, ele e seus colegas fotografaram diretamente as propriedades eletrônicas do grafeno torcido em ângulo mágico em escalas de comprimento atômico; e em 2020, eles demonstraram que a supercondutividade no grafeno de dupla camada torcida pode existir longe do ângulo mágico quando acoplada a um semicondutor bidimensional.

Agora, Nadj-Perge e seus colegas descobriram que o grafeno de dupla camada torcida em ângulo mágico também possui fases quânticas topológicas inesperadas. Um artigo sobre o trabalho aparece na edição de 18 de janeiro da Natureza .

O que são fases quânticas topológicas e por que são importantes? Tradicionalmente, materiais são classificados como isolantes, que impedem o fluxo de elétrons e, portanto, não conduzem eletricidade; metais, que conduzem bem a eletricidade; e semicondutores, que conduzem eletricidade entre metais e isoladores.

Contudo, quando fortes campos magnéticos são aplicados a vários tipos de materiais, o comportamento dos elétrons através deles é modificado, produzindo outros estados possíveis - ou fases quânticas topológicas. Por exemplo, sob fortes campos magnéticos, a maior parte de um material pode se tornar isolante enquanto as superfícies (ou bordas, no caso de um material bidimensional) são altamente condutores. Teoricamente, fases quânticas topológicas podem ter muitas aplicações, inclusive no processamento de informação quântica.

No novo trabalho, Nadj-Perge e seus colegas usaram a microscopia de tunelamento de varredura para obter diretamente a imagem de grafeno de dupla camada torcida com resolução atômica, e descobriram que as fortes interações entre os elétrons no grafeno de dupla camada torcida permitem o surgimento dessas fases topológicas sem a necessidade de um forte campo magnético. Eles também estudaram o grafeno distorcido em ângulos alternativos, mas descobriu que as novas fases topológicas estavam presentes apenas no ângulo mágico.

"A descoberta de fases topológicas no grafeno de dupla camada torcida em ângulo mágico abre mais um capítulo sobre este material incrível e nos aproxima do entendimento de suas propriedades eletrônicas." disse Nadj-Perge, autor correspondente do artigo. "Mais importante, Contudo, nossas descobertas também apontam para novas formas de fases topológicas de engenharia que podem ser perseguidas no futuro. "Esses materiais poderiam, em teoria, tem muitas aplicações; por exemplo, certas excitações de fases topológicas poderiam ser usadas para realizar o processamento de informações em futuros computadores quânticos.

O artigo deles é intitulado "Fases topológicas conduzidas por correlação em grafeno de dupla camada torcida em ângulo mágico".