Desde que o grafeno foi isolado e caracterizado pela primeira vez no início dos anos 2000, os pesquisadores vêm explorando maneiras de usar esse nanomaterial atomicamente fino devido às suas propriedades únicas, como alta resistência à tração e condutividade.
Em anos mais recentes, o grafeno de bicamada torcida, feito de duas folhas de grafeno torcidas em um ângulo "mágico" específico, mostrou ter supercondutividade, o que significa que pode conduzir eletricidade com muito pouca resistência. No entanto, usar essa abordagem para fabricar dispositivos continua sendo um desafio devido ao baixo rendimento da fabricação de grafeno de bicamada torcida.

Agora, um novo estudo mostra como deformações periódicas e padronizadas de uma única camada de grafeno a transformam em um material com propriedades eletrônicas anteriormente vistas em bicamadas de grafeno torcidas. Este sistema também hospeda estados condutores inesperados e interessantes adicionais na fronteira. Através de uma melhor compreensão de como as propriedades únicas ocorrem quando folhas únicas de grafeno são submetidas a tensão periódica, este trabalho tem o potencial de criar dispositivos quânticos, como ímãs orbitais e supercondutores no futuro. O estudo, publicado em Physical Review Letters , foi conduzido pelo estudante de pós-graduação Võ Tiến Phong e pelo professor Eugene Mele no Departamento de Física e Astronomia da Penn na Escola de Artes e Ciências.

Uma alternativa ao método complexo de bicamada torcida é usar camadas únicas de grafeno que são colocadas em um substrato cuidadosamente modelado, conhecido como "cama de pregos", que aplica uma força externa, ou tensão, de maneira periódica. Para entender melhor as propriedades geométricas quânticas desse sistema, Mele e Phong começaram a entender a teoria subjacente de como os elétrons se movem nesse sistema de camada única.

Depois de executar simulações de computador de experimentos de camada única, os pesquisadores ficaram surpresos ao encontrar novas evidências de fenômenos inesperados ao longo da superfície do material, mas apenas em um lado. "Geralmente, a topologia em massa se associa às propriedades da superfície e, quando esse é o caso, todas as superfícies herdam a propriedade", diz Mele. "Aqui, o fato de haver modos de borda de um lado e não do outro me pareceu profundamente incomum."

Essa descoberta foi inesperada porque nesse sistema o campo pseudomagnético médio, induzido quando o sistema é tensionado, era zero – positivo em uma área, mas negativo na outra, o que os pesquisadores supuseram que cancelaria qualquer fenômeno único. "Se o campo magnético for zero, você provavelmente não terá nenhuma física interessante", diz Phong. “Pelo contrário, descobrimos que, embora o campo magnético médio seja zero, ele ainda oferece uma física interessante na borda”.

Para explicar esse resultado inesperado, Phong examinou mais de perto um sistema experimental semelhante, onde folhas únicas de grafeno são dobradas para simular um campo induzido por deformação constante em vez de periódico. Phong descobriu que esse sistema tinha o mesmo índice topológico, o que significa que estados de borda que só prosperam em um lado específico do material também ocorreriam. "A física aqui era semelhante e parecia ser a explicação certa para a fenomenologia em que estávamos trabalhando", diz Phong.

No geral, este estudo prevê que as bandas planas, semelhantes às encontradas no grafeno de bicamada torcida, são criadas pela deposição de uma única camada atomicamente fina em um substrato de leito de pregos que induz uma distorção periódica na folha de grafeno.

Os pesquisadores já estão progredindo em direção a uma compreensão ainda mais profunda desses sistemas de camada única. Uma via de pesquisa adicional envolve uma colaboração com o professor assistente Bo Zhen para estudar o mesmo fenômeno usando ondas de luz. Os pesquisadores também estão interessados ​​em ver se outras propriedades únicas que existem no grafeno de camada dupla torcida também podem ocorrer em sistemas de camada única.

"Embora a física seja simples, o que significa que você pode fazer com que o sistema se comporte da maneira que você deseja de uma maneira mais controlada, a fenomenologia que você pode obter não é. É muito rica e ainda estamos descobrindo coisas novas. enquanto falamos", diz Phong.

E como esses sistemas de camada única são mais simples de trabalhar, essa compreensão teórica aprimorada tem o potencial de ajudar em futuras descobertas no campo da física de estado de borda, incluindo possíveis novos dispositivos, como materiais quânticos ultrapequenos e incrivelmente rápidos.

“Há um grande esforço agora para entender essas bicamadas de grafeno torcidas, e acho que uma questão interessante que estamos pregando aqui são os ingredientes essenciais de um sistema físico que poderia realmente fazer isso”, diz Mele. "Estamos construindo estruturas artificiais que você não poderia construir de cima para baixo em uma escala de comprimento interessante - maiores que átomos, menores do que você pode fazer por litografia - e, se você tem controle disso, há muitas coisas que você pode fazer." + Explorar mais

Um vislumbre de um sanduíche de grafeno