A lei de Ohm é bem conhecida nas aulas de física. Ele afirma que a resistência de um condutor e a tensão aplicada a ele determinam quanta corrente fluirá através do condutor. Os elétrons no material - os portadores de carga negativa - movem-se de maneira desordenada e amplamente independentes uns dos outros. Os físicos acham muito mais interessante, Contudo, quando os portadores de carga influenciam uns aos outros com força suficiente para que aquela imagem simples não seja mais correta.

Este é o caso, por exemplo, em "Twisted Bilayer Graphene, "que foi descoberto há alguns anos. Esse material é feito de duas camadas finas de grafeno consistindo de uma única camada de átomos de carbono cada uma. Se duas camadas vizinhas estiverem ligeiramente torcidas uma em relação à outra, os elétrons podem ser influenciados de tal forma que interagem fortemente uns com os outros. Como consequência, o material pode, por exemplo, tornam-se supercondutores e, portanto, conduzem a corrente sem quaisquer perdas.

Uma equipe de pesquisadores liderada por Klaus Ensslin e Thomas Ihn no Laboratório de Física do Estado Sólido da ETH Zurique, junto com colegas da Universidade do Texas em Austin (EUA), agora observou um novo estado em camadas duplas torcidas de grafeno. Nesse estado, elétrons carregados negativamente e os chamados buracos carregados positivamente, que estão faltando elétrons no material, estão tão fortemente correlacionados uns com os outros que o material não conduz mais corrente elétrica.

Camadas de grafeno torcidas

"Em experimentos convencionais, em que as camadas de grafeno são torcidas em cerca de um grau em relação umas às outras, a mobilidade dos elétrons é influenciada pelo tunelamento mecânico quântico entre as camadas, "explica Peter Rickhaus, um pós-doutorado e autor principal do estudo publicado recentemente na revista Ciência . "Em nosso novo experimento, por contraste, torcemos duas camadas duplas de grafeno em mais de dois graus em relação uma à outra, de modo que os elétrons não podem mais fazer túnel entre as camadas duplas. "

Maior resistência por meio de acoplamento

Como resultado disso, aplicando um campo elétrico, elétrons podem ser criados em uma das camadas duplas e buracos na outra. Tanto os elétrons quanto os buracos podem conduzir corrente elétrica. Portanto, seria de se esperar que as duas camadas duplas de grafeno juntas formassem um condutor ainda melhor com uma resistência menor.

Sob certas circunstâncias, Contudo, o oposto pode acontecer, como Folkert de Vries, um pós-doutorado na equipe de Ensslin, explica:“Se ajustarmos o campo elétrico de forma a termos o mesmo número de elétrons e lacunas nas camadas duplas, a resistência aumenta repentinamente. "Por várias semanas, Ensslin e seus colaboradores foram incapazes de dar sentido a esse resultado surpreendente, mas eventualmente seu colega de teoria Allan H. MacDonald, de Austin, deu-lhes uma dica decisiva:De acordo com MacDonald, eles observaram um novo tipo de onda de densidade.

As chamadas ondas de densidade de carga geralmente surgem em condutores unidimensionais quando os elétrons do material coletivamente conduzem corrente elétrica e também se organizam espacialmente em ondas. No experimento realizado pelos pesquisadores da ETH, agora são os elétrons e os buracos que se emparelham por atração eletrostática e, assim, formam uma onda de densidade coletiva. Essa onda de densidade, Contudo, agora consiste em pares de elétron-buraco eletricamente neutros, de modo que as duas camadas duplas juntas não podem mais conduzir corrente elétrica.

Novo estado correlacionado

"Esse é um estado totalmente novo correlacionado de elétrons e buracos que não tem carga geral, "diz Ensslin." Este estado neutro pode, no entanto, transmitir informações ou conduzir calor. Além disso, o que é especial nisso é que podemos controlá-lo completamente por meio do ângulo de torção e da voltagem aplicada. "Estados semelhantes foram observados em outros materiais nos quais pares de elétron-buraco (também conhecidos como excitons) são criados por meio de excitação usando luz laser. o experimento na ETH, Contudo, os elétrons e lacunas estão em seu estado fundamental, ou estado de menor energia, o que significa que seu tempo de vida não é limitado pela deterioração espontânea.

Possível aplicação em tecnologias quânticas

Ensslin, que se especializou na investigação das propriedades eletrônicas de pequenos sistemas quânticos, já está especulando sobre possíveis aplicações práticas para o novo estado correlacionado. Contudo, isso exigirá uma boa quantidade de trabalho preparatório. Pode-se prender os pares elétron-buraco, por exemplo, em um ressonador (Fabry-Pérot). Isso é muito exigente, como partículas neutras não podem ser controladas diretamente, por exemplo, usando campos elétricos. O fato de o estado ser eletricamente neutro pode, por outro lado, acabou sendo uma vantagem:poderia ser explorada para tornar as memórias quânticas menos suscetíveis ao ruído do campo elétrico.