Cientista da equipe Jurek Sadowski (à esquerda) e pós-doutorado Zhongwei Dai nas instalações da Quantum Material Press (QPress) no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) do Laboratório Nacional de Brookhaven. A grande peça circular é o robô QPress central, com vários módulos anexados nas laterais para recozimento de amostra, deposição de filme, limpeza de plasma, e bibliotecas de amostra. O sistema QPress completo, ainda em desenvolvimento, irá automatizar o empilhamento de materiais 2-D em estruturas em camadas com propriedades exóticas para aplicações quânticas. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Os cientistas que estudam duas configurações diferentes de grafeno de duas camadas - o bidimensional (2D), forma de carbono da espessura de um átomo - detectaram ressonâncias entre camadas eletrônicas e ópticas. Nestes estados ressonantes, elétrons saltam para frente e para trás entre os dois planos atômicos na interface 2D na mesma frequência. Ao caracterizar esses estados, eles descobriram que torcer uma das camadas de grafeno em 30 graus em relação à outra, em vez de empilhar as camadas diretamente umas sobre as outras, muda a ressonância para uma energia mais baixa. A partir deste resultado, acabado de publicar em Cartas de revisão física , eles deduziram que a distância entre as duas camadas aumentou significativamente na configuração torcida, em comparação com o empilhado. Quando essa distância muda, o mesmo acontece com as interações entre camadas, influenciando como os elétrons se movem no sistema de duas camadas. Uma compreensão desse movimento do elétron pode informar o projeto de futuras tecnologias quânticas para uma computação mais poderosa e uma comunicação mais segura.
"Os chips de computador de hoje são baseados em nosso conhecimento de como os elétrons se movem em semicondutores, especificamente silício, "disse o primeiro e co-autor Zhongwei Dai, pós-doutorado no Grupo de Ciência de Interface e Catálise no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE). "Mas as propriedades físicas do silício estão atingindo um limite físico em termos de como pequenos transistores podem ser feitos e quantos cabem em um chip. Se pudermos entender como os elétrons se movem em pequena escala de alguns nanômetros nas dimensões reduzidas de Materiais 2D, podemos ser capazes de descobrir outra maneira de utilizar elétrons para a ciência da informação quântica. "
Em alguns nanômetros, ou bilionésimos de um metro, o tamanho de um sistema material é comparável ao do comprimento de onda dos elétrons. Quando os elétrons estão confinados em um espaço com dimensões de seu comprimento de onda, as propriedades eletrônicas e ópticas do material mudam. Esses efeitos de confinamento quântico são o resultado do movimento ondulatório da mecânica quântica, em vez do movimento mecânico clássico, em que os elétrons se movem através de um material e são espalhados por defeitos aleatórios.
Para esta pesquisa, a equipe selecionou um modelo de material simples - grafeno - para investigar os efeitos do confinamento quântico, aplicando duas sondas diferentes:elétrons e fótons (partículas de luz). Para sondar ressonâncias eletrônicas e ópticas, eles usaram um substrato especial para o qual o grafeno poderia ser transferido. O co-autor correspondente e cientista do CFN Interface Science e do Catalysis Group, Jurek Sadowski, já havia projetado este substrato para a Quantum Material Press (QPress). O QPress é uma ferramenta automatizada em desenvolvimento no CFN Materials Synthesis and Characterization Facility para a síntese, em processamento, e caracterização de materiais 2D em camadas. Convencionalmente, os cientistas esfoliam "flocos" de material 2D de cristais originais 3D (por exemplo, grafeno de grafite) em um substrato de dióxido de silício com várias centenas de nanômetros de espessura. Contudo, este substrato é isolante, e, portanto, as técnicas de interrogação baseadas em elétrons não funcionam. Então, Sadowski e o cientista do CFN Chang-Yong Nam e o estudante graduado da Stony Brook University Ashwanth Subramanian depositaram uma camada condutora de óxido de titânio com apenas três nanômetros de espessura no substrato de dióxido de silício.
"Esta camada é transparente o suficiente para caracterização óptica e determinação da espessura de flocos esfoliados e monocamadas empilhadas, enquanto condutora o suficiente para técnicas de microscopia eletrônica ou espectroscopia baseada em síncrotron, "explicou Sadowski.
No Grupo Charlie Johnson da Universidade da Pensilvânia - Rebecca W. Bushnell Professora de Física e Astronomia Charlie Johnson, pós-doutorado Qicheng Zhang, e o ex-pós-doutorado Zhaoli Gao (agora professor assistente na Universidade Chinesa de Hong Kong) - cresceu o grafeno em folhas de metal e transferiu-o para o substrato de óxido de titânio / dióxido de silício. Quando o grafeno é cultivado desta forma, todos os três domínios (camada única, empilhado, e torcida) estão presentes.
(a) Esquemas da configuração experimental para espalhamento de elétrons e fótons. (b) Um modelo atômico do padrão formado pela estrutura de cristal de grafeno bicamada torcida (30 ° -tBLG). (c) Uma imagem de microscópio eletrônico de baixa energia de uma área de amostra típica contendo 30 ° -tBLG, grafeno de camada dupla empilhado (AB-BLG), e grafeno de camada única (SLG). (d) Um padrão de difração de elétrons de baixa energia em uma área de 30 ° -tBLG. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Então, Dai e Sadowski projetaram e realizaram experimentos nos quais atiraram elétrons no material com um microscópio eletrônico de baixa energia (LEEM) e detectaram os elétrons refletidos. Eles também dispararam fótons de um microscópio óptico baseado em laser com um espectrômetro no material e analisaram o espectro de luz espalhado de volta. Este microscópio confocal Raman faz parte do catalogador QPress, que junto com o software de análise de imagem, pode identificar os locais das áreas de amostra de interesse.
"O microscópio QPress Raman nos permitiu identificar rapidamente a área de amostra alvo, acelerando nossa pesquisa, "disse Dai.
Seus resultados sugeriram que o espaçamento entre as camadas na configuração de grafeno torcido aumentou cerca de seis por cento em relação à configuração não torcida. Cálculos feitos por teóricos da Universidade de New Hampshire verificaram o comportamento eletrônico ressonante único na configuração torcida.
"Dispositivos feitos de grafeno girado podem ter propriedades muito interessantes e inesperadas por causa do maior espaçamento entre camadas em que os elétrons podem se mover, "disse Sadowski.
Próximo, a equipe vai fabricar dispositivos com o grafeno trançado. A equipe também trabalhará com base nos experimentos iniciais conduzidos pelo cientista Samuel Tenney, da equipe do CFN, e pelos pós-docs Calley Eads e Nikhil Tiwale do CFN, para explorar como a adição de diferentes materiais à estrutura em camadas afeta suas propriedades eletrônicas e ópticas.
"Nesta pesquisa inicial, escolhemos o sistema de material 2D mais simples que podemos sintetizar e controlar para entender como os elétrons se comportam, "disse Dai." Pretendemos continuar esses tipos de estudos fundamentais, esperançosamente lançando luz sobre como manipular materiais para computação quântica e comunicações. "
