Embora folhas torcidas de grafeno de dupla camada tenham sido estudadas extensivamente nos últimos anos, ainda faltam peças no quebra-cabeça que é seu diagrama de fases - os diferentes estados fundamentais não perturbados do sistema. Escrevendo em Física da Natureza , Carmen Rubio-Verdú e colegas encontraram uma nova peça do quebra-cabeça:uma fase nemática eletrônica.
Descrita pela primeira vez em outro estado da matéria chamado cristal líquido, uma fase nemática ocorre quando partículas em um material quebram uma estrutura simétrica e passam a se orientar frouxamente umas com as outras ao longo do mesmo eixo. Este fenômeno é a base do display LCD comumente usado em televisores e monitores de computador. Em uma fase nemática eletrônica, as partículas em questão são elétrons, cujo comportamento e disposição em um material podem influenciar o quão bem esse material conduzirá uma corrente elétrica em diferentes direções.

"Os dados são incríveis", diz o coautor Rafael Fernandes, físico teórico da Universidade de Minnesota que conheceu o autor sênior Abhay Pasupathy como pós-doutorando em Columbia. "Você pode ver claramente que há uma simetria sendo quebrada."

Simetrias quebradas geralmente produzem novos efeitos quânticos, explicou ele. O grafeno de dupla camada torcida geralmente tem simetria tripla – não importa quantas vezes você gire uma imagem dele em voltas de 120 graus, ela permanece a mesma. Usando microscopia de tunelamento de varredura e espectroscopia para registrar as propriedades eletrônicas de átomos individuais, Rubio-Verdú e seus colegas registraram grafeno torcido em diferentes voltagens. "O que vemos são listras", disse ela - são elétrons se realinhando e quebrando a simetria da amostra, mesmo que a estrutura atômica subjacente permaneça a mesma. Nesta fase nemática observada, a imagem agora só pode ser invertida 180 graus.

“Essas fases surgem de interações elétron-elétron”, disse Rubio-Verdú, um bolsista de ações Marie Skłodowska-Curie que estuda fases eletrônicas em materiais moiré como grafeno torcido com Pasupatia. “Encontrar uma nova fase como esta é empolgante porque aumenta nossa compreensão holística dos sistemas baseados em grafeno”.

Experimentos anteriores sugeriram que essa fase eletrônica correlacionada existia no grafeno torcido, mas não estava claro se isso era realmente o resultado da tensão no material torcido. A tensão também pode persuadir os elétrons a se moverem, mas este é um efeito mecânico e não eletrônico, explicou Rubio-Verdú. Neste experimento, a equipe usou uma amostra de grafeno torcido que era relativamente grande, mas com tensão extremamente baixa – apenas 0,03%. "Estamos olhando para centenas de nanômetros e o efeito persiste", disse Rubio-Verdú. "Esta é uma fase nemática eletrônica real."

Teoricamente, tal fase poderia existir em qualquer material à base de grafeno. Em trabalhos futuros, a equipe planeja explorar como a fase nemática influencia a capacidade do grafeno de dupla camada torcida de conduzir uma corrente elétrica.

Compreender o conjunto completo de comportamento eletrônico em materiais moiré como o grafeno torcido pode um dia ajudar os físicos a entender melhor outra fase quântica, a supercondutividade, na qual uma corrente elétrica se move através de um material com resistência zero. Essa fase, no entanto, ocorre atualmente em temperaturas muito baixas - mesmo os chamados supercondutores de alta temperatura, usados ​​em dispositivos como máquinas de ressonância magnética, devem ser mantidos quase 100 ° F abaixo de zero. Embora materiais moiré como o grafeno torcido sejam estudados em temperaturas próximas a -450 ° F, eles compartilham semelhanças com supercondutores de alta temperatura, disse Rubio-Verdú, como estados supercondutores e isolantes que dependem da dopagem de elétrons.

O campo ainda está fazendo perguntas fundamentais sobre a natureza dos materiais moiré, mas a descoberta de uma fase nemática eletrônica no grafeno de dupla camada torcida é apenas mais uma peça desse quebra-cabeça agora colocado. "Estamos vendo nemacidade eletrônica em outra classe de compostos", disse Fernandes. "Como as pessoas estão descobrindo todos os tipos de maneiras diferentes de torcer diferentes camadas, agora queremos descobrir o que é comum e robusto." + Explorar mais

A observação de estados correlacionados e supercondutividade em grafeno de três camadas torcidas