Quando duas folhas de grafeno de nanomaterial de carbono são empilhadas em um determinado ângulo uma em relação à outra, isso dá origem a uma física fascinante. Por exemplo, quando esse chamado "grafeno de ângulo mágico" é resfriado a quase zero absoluto, ele de repente se torna um supercondutor, o que significa que conduz eletricidade com resistência zero.
Agora, uma equipe de pesquisa da Brown University descobriu um novo fenômeno surpreendente que pode surgir no grafeno de ângulo mágico. Em pesquisa publicada na revista Science , a equipe mostrou que, ao induzir um fenômeno conhecido como acoplamento spin-órbita, o grafeno de ângulo mágico se torna um poderoso ferroímã.

“O magnetismo e a supercondutividade geralmente estão em extremos opostos do espectro na física da matéria condensada, e é raro que eles apareçam na mesma plataforma de material”, disse Jia Li, professor assistente de física em Brown e autor sênior da pesquisa. "No entanto, mostramos que podemos criar magnetismo em um sistema que originalmente hospeda supercondutividade. Isso nos dá uma nova maneira de estudar a interação entre supercondutividade e magnetismo e oferece novas e excitantes possibilidades para a pesquisa da ciência quântica."

O grafeno de ângulo mágico causou bastante agitação na física nos últimos anos. O grafeno é um material bidimensional feito de átomos de carbono dispostos em um padrão semelhante a um favo de mel. Folhas únicas de grafeno são interessantes por si só - exibindo notável resistência do material e condutância elétrica extremamente eficiente. Mas as coisas ficam ainda mais interessantes quando as folhas de grafeno são empilhadas. Os elétrons começam a interagir não apenas com outros elétrons dentro de uma folha de grafeno, mas também com os da folha adjacente. Alterar o ângulo das folhas em relação umas às outras altera essas interações, dando origem a fenômenos quânticos interessantes, como a supercondutividade.

Esta nova pesquisa adiciona uma nova ruga – acoplamento spin-órbita – a este sistema já interessante. O acoplamento spin-órbita é um estado de comportamento do elétron em certos materiais em que o spin de cada elétron – seu minúsculo momento magnético que aponta para cima ou para baixo – fica ligado à sua órbita ao redor do núcleo atômico.

“Sabemos que o acoplamento spin-órbita dá origem a uma ampla gama de fenômenos quânticos interessantes, mas normalmente não está presente no grafeno de ângulo mágico”, disse Jiang-Xiazi Lin, pesquisador de pós-doutorado em Brown e principal autor do estudo. "Queríamos introduzir o acoplamento spin-órbita e depois ver que efeito isso tinha no sistema."

Para fazer isso, Li e sua equipe fizeram uma interface de grafeno de ângulo mágico com um bloco de disseleneto de tungstênio, um material que possui um forte acoplamento spin-órbita. Alinhar a pilha com precisão induz o acoplamento spin-órbita no grafeno. A partir daí, a equipe testou o sistema com correntes elétricas externas e campos magnéticos.

Os experimentos mostraram que uma corrente elétrica fluindo em uma direção através do material na presença de um campo magnético externo produz uma tensão na direção perpendicular à corrente. Essa voltagem, conhecida como efeito Hall, é a assinatura reveladora de um campo magnético intrínseco no material.

Para surpresa da equipe de pesquisa, eles mostraram que o estado magnético pode ser controlado usando um campo magnético externo, que é orientado no plano do grafeno ou fora do plano. Isso está em contraste com materiais magnéticos sem acoplamento spin-órbita, onde o magnetismo intrínseco pode ser controlado apenas quando o campo magnético externo está alinhado ao longo da direção do magnetismo.

"Esta observação é uma indicação de que o acoplamento spin-órbita está realmente presente e forneceu a pista para a construção de um modelo teórico para entender a influência da interface atômica", disse Yahui Zhang, físico teórico da Universidade de Harvard que trabalhou com a equipe da Brown para entender a física associada ao magnetismo observado.

“A influência única do acoplamento spin-órbita dá aos cientistas um novo botão experimental para girar no esforço de entender o comportamento do grafeno de ângulo mágico”, disse Erin Morrissette, estudante de pós-graduação da Brown que realizou parte do trabalho experimental. "As descobertas também têm potencial para novos aplicativos de dispositivos".

Uma aplicação possível é na memória do computador. A equipe descobriu que as propriedades magnéticas do grafeno de ângulo mágico podem ser controladas com campos magnéticos externos e campos elétricos. Isso tornaria este sistema bidimensional um candidato ideal para um dispositivo de memória magnética com opções flexíveis de leitura/gravação.

Outra aplicação potencial é na computação quântica, dizem os pesquisadores. Uma interface entre um ferromagneto e um supercondutor foi proposta como um potencial bloco de construção para computadores quânticos. O problema, no entanto, é que essa interface é difícil de criar porque os ímãs geralmente são destrutivos para a supercondutividade. Mas um material capaz de ferromagnetismo e supercondutividade pode fornecer uma maneira de criar essa interface.

"Estamos trabalhando no uso da interface atômica para estabilizar a supercondutividade e o ferromagnetismo ao mesmo tempo", disse Li. “A coexistência desses dois fenômenos é rara na física e certamente trará mais emoção”. + Explorar mais

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