A maneira como os elétrons fluem em um material determina suas propriedades eletrônicas. Por exemplo, quando uma tensão é sustentada em um material condutor, os elétrons começam a fluir, gerando uma corrente elétrica. Acredita-se que esses elétrons fluem em trajetórias retas, movendo-se ao longo do campo elétrico, como uma bola rolando colina abaixo. No entanto, essas não são as únicas trajetórias que os elétrons podem seguir:quando um campo magnético é aplicado, os elétrons não viajam mais em trajetórias retas ao longo do campo elétrico, mas, na verdade, eles se dobram. Os fluxos eletrônicos dobrados levam a sinais transversais chamados de respostas "Hall".
Agora, é possível dobrar elétrons sem aplicar um campo magnético? Em um estudo publicado recentemente na Science , uma equipe internacional de pesquisadores relata que a luz polarizada circular pode induzir fluxos eletrônicos dobrados no grafeno de bicamada. O estudo foi realizado por uma equipe que inclui os cientistas do ICFO Jianbo Yin (atualmente pesquisador do Beijing Graphene Institute, China), David Barcons, Iacopo Torre, liderados pelo ICREA Prof. no ICFO Frank Koppens, em colaboração com Cheng Tan e James Hone da Columbia University, Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do NIMS Japan e o Prof. Justin Song da Nanyang Technological University (NTU) em Cingapura.

Jianbo Yin, primeiro autor do estudo, lembra como tudo começou. "Este estudo colaborativo começou em 2016 com uma conversa entre Justin Song e Frank Koppens em uma conferência científica." Como explica Justin Song, "os elétrons não são apenas partículas, mas podem ter uma natureza semelhante a uma onda quântica". Em materiais quânticos, como o grafeno de camada dupla, o padrão de onda dos elétrons pode exibir um enrolamento complexo, muitas vezes referido como geometria quântica. “Frank e eu conversamos sobre a possibilidade de aproveitar a geometria quântica no grafeno de duas camadas para dobrar o fluxo de elétrons com luz em vez de usar campos magnéticos”.

Com isso em mente, Jianbo Yin, pesquisador da equipe de Frank Koppens, decidiu assumir o desafio de realizar experimentalmente esse fenômeno incomum. "Nosso dispositivo foi muito complicado de construir. Foi preciso construir muitos dispositivos e voar para a Universidade de Columbia para trabalhar com Cheng Tan e James Hone para melhorar a qualidade do dispositivo."

Geometria quântica e seletividade de vale

No grafeno de bicamada, existem dois bolsões de vales de elétrons (K e K'):quando um campo elétrico perpendicular é aplicado, as propriedades geométricas quânticas dos elétrons nesses dois vales podem fazer com que eles se dobrem em direções opostas. Como resultado, seus efeitos Hall são cancelados.

Em seu estudo, a equipe de cientistas descobriu que, ao aplicar luz infravermelha polarizada circular no dispositivo de bicamada de grafeno, eles conseguiram excitar seletivamente uma população específica de elétrons no material, o que gerou uma fotovoltagem perpendicular ao fluxo normal de elétrons. Como Koppens destaca, "Nós agora projetamos o dispositivo e configuramos de tal forma que a corrente flui apenas com iluminação leve. Com isso, conseguimos evitar o ruído de fundo que dificulta as medições e obter uma sensibilidade na detecção várias ordens de magnitude melhor do que qualquer outro material 2D." Esse desenvolvimento é significativo porque os fotodetectores convencionais geralmente exigem grandes desvios de tensão que podem levar a "correntes escuras" que fluem mesmo quando não há luz.

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Yin observa que "podemos controlar a curvatura dos elétrons com o campo elétrico fora do plano que aplicamos. Podemos alterar o ângulo de curvatura desses elétrons, que pode ser quantificado pela condutividade Hall. Ao controlar o botão de tensão, ' a curvatura Berry [uma característica da geometria quântica], pode ser ajustada, o que pode levar a uma condutividade Hall gigante."

Os resultados do estudo abrem um novo campo de muitas aplicações de detecção e imagem, como Koppens finalmente conclui. "Tal descoberta pode ter grandes implicações em aplicações para detecção de infravermelho e terahertz, já que o grafeno de camada dupla pode ser transformado de semimetal em semicondutor com um bandgap muito pequeno, para detectar fótons de energias muito pequenas. Também pode ser útil, por exemplo, para imagens no espaço, imagens médicas, por exemplo, para câncer de pele de tecidos, ou mesmo para aplicações de segurança, como a inspeção de qualidade de materiais."

As possibilidades são múltiplas e os próximos passos da pesquisa focada em novos materiais 2D, como o grafeno de bicamada torcida de material moiré, podem encontrar novas formas de controlar fluxos de elétrons e propriedades optoeletrônicas não convencionais. + Explorar mais

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