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

Crédito:Zhang et al.

Quando duas camadas de grafeno ou de outros materiais bidimensionais (2D) são empilhadas uma sobre a outra com um pequeno desalinhamento de ângulo, as redes cristalinas produzidas por cada camada estão espacialmente 'fora de sincronia'. Isso resulta em um padrão estrutural único conhecido como super-rede moiré.
Nos últimos anos, muitos físicos têm investigado as propriedades e características das super-redes moiré, pois elas se mostraram particularmente promissoras para o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas. A maioria desses estudos se concentrou no grafeno de bicamada torcida, um material composto por duas camadas de grafeno empilhadas uma sobre a outra e giradas por um pequeno ângulo de torção.

Pesquisadores da Universidade de Minnesota e da Universidade de Harvard realizaram recentemente um estudo investigando as propriedades do grafeno de três camadas torcidas, que consiste em três camadas empilhadas de grafeno com dois pequenos ângulos de torção consecutivos. Seu artigo, publicado em Physical Review Letters , oferecem evidências de estados isolantes correlacionados e a assinatura de transporte de supercondutividade no material.

"Foi demonstrado anteriormente que o grafeno de bicamada torcida pode se tornar supercondutor com um ângulo de torção ajustado com precisão", disse Ke Wang, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “As bicamadas torcidas são altamente ajustáveis em termos de parâmetros de materiais e eletrostática, o que permite novos insights para a compreensão da física eletrônica correlacionada e promete novas aplicações potenciais de eletrônica quântica”.

Ao adicionar uma terceira camada de grafeno, Wang e seus colegas produziram uma estrutura que eles apelidaram de super-rede 'moiré de moiré'. Eles então examinaram essa estrutura e tentaram entender melhor suas propriedades e características.

"Nosso trabalho recente adiciona um 3^rd camada de grafeno para formar uma tricamada torcida", explicou Wang. "As duas super-redes da camada 1-2 e da camada 2-3 estão novamente 'fora de sincronia', dando origem a uma super-rede de ordem superior, à qual nos referimos como 'moiré de moiré superlattice'. Em seguida, resfriamos o sistema até uma temperatura baixa (10mK - 20K) e estudamos seu comportamento de transporte eletrônico."

O 'moiré de moiré superlattice' de ordem superior no grafeno de três camadas torcidas parece exibir uma física altamente complexa, tanto estrutural quanto eletronicamente. Por exemplo, o material exibe a assinatura de transporte de supercondutividade em uma densidade eletrônica extremamente baixa (~ 10¹⁰ cm^-2 ), duas ordens de magnitude menores do que as densidades eletrônicas relatadas em artigos anteriores.

"Nossos resultados experimentais também lançam uma nova luz importante sobre a compreensão da supercondutividade no grafeno", disse Wang. “Acreditava-se anteriormente que os elétrons precisavam ser isolados energeticamente antes que pudessem dar origem à supercondutividade no grafeno, mas nosso experimento parece sugerir o contrário”.

No futuro, o novo material estudado por essa equipe de pesquisadores pode se mostrar altamente valioso para a fabricação de novas tecnologias, principalmente eletrônica quântica e plataformas de computação. Além disso, as descobertas reunidas por Wang e seus colegas podem inspirar outras equipes de pesquisa a também estudar o potencial do grafeno de três camadas torcidas ou de outros sistemas que podem dar origem a uma super-rede 'moiré de moiré'.

“O material que revelamos pode ser um promissor supercondutor atomicamente limpo que pode ser ajustado eletrostaticamente com uma mudança de densidade de portadora extremamente baixa, o que é desejável para futuros dispositivos eletrônicos quânticos”, acrescentou Wang. “Para entender melhor suas aplicações potenciais, agora planejamos estudar as propriedades estruturais do grafeno de três camadas torcidas usando várias técnicas de microscopia e fabricar nanoestruturas definidas por portas para sondar e manipular novos fenômenos quânticos que possam surgir do sistema”. + Explorar mais