p Pesquisadores e colegas do MIT descobriram uma importante - e inesperada - propriedade eletrônica do grafeno, um material descoberto apenas cerca de 17 anos atrás que continua a surpreender os cientistas com sua física interessante. O trabalho, que envolve estruturas compostas por camadas atomicamente finas de materiais que também são biocompatíveis, poderia inaugurar um novo, paradigmas de processamento de informações mais rápidos. Uma aplicação potencial é na computação neuromórfica, que visa replicar as células neuronais do corpo responsáveis ​​por tudo, desde o comportamento às memórias. p O trabalho também apresenta uma nova física que os pesquisadores estão ansiosos para explorar.

p "Heteroestruturas baseadas em grafeno continuam a produzir surpresas fascinantes. Nossa observação de ferroeletricidade não convencional neste sistema simples e ultrafino desafia muitas das suposições prevalecentes sobre sistemas ferroelétricos e pode abrir caminho para uma geração inteira de novos materiais ferroelétricos, "diz Pablo Jarillo-Herrero, o Cecil e Ida Green Professor de Física no MIT e líder do trabalho, que envolveu uma colaboração com cinco outros professores do MIT de três departamentos.

p Uma nova propriedade

p O grafeno é composto por uma única camada de átomos de carbono dispostos em hexágonos que se assemelham a uma estrutura em favo de mel. Desde a descoberta do material, cientistas demonstraram que diferentes configurações de camadas de grafeno podem dar origem a uma variedade de propriedades importantes. Estruturas baseadas em grafeno podem ser supercondutores, que conduzem eletricidade sem resistência, ou isoladores, que impedem o movimento de eletricidade. Eles até foram encontrados para exibir magnetismo.

p No trabalho atual, que foi relatado em dezembro passado em Natureza , os pesquisadores e colegas do MIT mostram que o grafeno de duas camadas também pode ser ferroelétrico. Isso significa que cargas positivas e negativas no material podem se separar espontaneamente em camadas diferentes.

p Na maioria dos materiais, cargas opostas são atraídas uma pela outra; eles querem combinar. Apenas a aplicação de um campo elétrico irá forçá-los a lados opostos, ou pólos. Em um material ferroelétrico, nenhum campo elétrico externo é necessário para manter as cargas separadas, dando origem a uma polarização espontânea. Contudo, a aplicação de um campo elétrico externo tem um efeito:um campo elétrico de direção oposta fará com que as cargas mudem de lado e invertam a polarização.

p Por todos esses motivos, materiais ferroelétricos são usados ​​em uma variedade de sistemas eletrônicos, de ultrassons médicos a cartões de identificação por radiofrequência (RFID).

p Ferroelétricos convencionais, Contudo, são isolantes. O ferroelétrico da equipe liderada pelo MIT com base em grafeno opera por meio de um mecanismo completamente diferente - física diferente - que permite conduzir eletricidade. E isso abre uma infinidade de aplicativos adicionais. "O que encontramos aqui é um novo tipo de material ferroelétrico, "diz Zhiren (Isaac) Zheng, um estudante de pós-graduação em física do MIT e primeiro autor do artigo da Nature.

p Qiong Ma, MIT Ph.D. 2016, co-autor do artigo e professor assistente do Boston College, coloca o trabalho em perspectiva. “Existem desafios associados aos ferroelétricos convencionais que as pessoas têm trabalhado para superar. Por exemplo, a fase ferroelétrica torna-se instável à medida que o dispositivo continua a ser miniaturizado. Com nosso material, alguns desses desafios podem ser resolvidos automaticamente. "Ma conduziu o trabalho atual como pós-doutorado por meio do Laboratório de Pesquisa de Materiais (MRL) do MIT.

p Padrões Importantes

p A estrutura que a equipe criou é composta de duas camadas de grafeno - uma camada dupla - imprensada entre camadas atomicamente finas de nitreto de boro (BN) acima e abaixo. Cada camada BN está em um ângulo ligeiramente diferente da outra. Olhando de cima, o resultado é um padrão único denominado superrede moiré. Um padrão moiré, por sua vez, "pode ​​mudar drasticamente as propriedades de um material, "Zheng diz.

p O grupo de Jarillo-Herrero demonstrou um importante exemplo disso em 2018. Nesse trabalho, também relatado em Natureza , os pesquisadores empilharam duas camadas de grafeno. Essas camadas, Contudo, não estavam exatamente um em cima do outro; em vez, um foi ligeiramente girado em um "ângulo mágico" de 1,1 graus. A estrutura resultante criou um padrão moiré que, por sua vez, permitiu que o grafeno fosse um supercondutor ou um isolante, dependendo do número de elétrons no sistema fornecido por um campo elétrico. Essencialmente, a equipe foi capaz de "ajustar o grafeno para se comportar em dois extremos elétricos, "de acordo com uma notícia do MIT na época.

p "Então, ao criar essa estrutura moiré, o grafeno não é mais grafeno. Quase que magicamente se transforma em algo muito, muito diferente, "Ma diz.

p No trabalho atual, os pesquisadores criaram um padrão moiré com folhas de grafeno e nitreto de boro que resultou em uma nova forma de ferroeletricidade. A física envolvida no movimento dos elétrons através da estrutura é diferente da dos ferroelétricos convencionais.

p “A ferroeletricidade demonstrada pelo grupo MIT é fascinante, "diz Philip Kim, Professor de Física e Física Aplicada na Universidade de Harvard, que não participou da pesquisa.

p “Este trabalho é a primeira demonstração que reporta ferroeletricidade eletrônica pura, que exibe polarização de carga sem movimento iônico na rede subjacente. Esta descoberta surpreendente certamente convidará a novos estudos que podem revelar fenômenos emergentes mais excitantes e fornecer uma oportunidade de utilizá-los para aplicações de memória ultrarrápidas. "

p Os pesquisadores pretendem continuar o trabalho não apenas demonstrando o potencial do novo material para uma variedade de aplicações, mas também desenvolvendo uma melhor compreensão de sua física. "Ainda existem muitos mistérios que não entendemos totalmente e que são fundamentalmente muito intrigantes, "Ma diz.