O carbono não é o elemento mais brilhante, nem o mais reativo, nem o mais raro. Mas é um dos mais versáteis.
O carbono é a espinha dorsal da vida na Terra e os combustíveis fósseis que resultaram do desaparecimento da vida antiga. O carbono é o ingrediente essencial para transformar ferro em aço, que está por trás de tecnologias de espadas medievais a arranha-céus e submarinos. E fibras de carbono fortes e leves são usadas em carros, aviões e moinhos de vento. Mesmo apenas o carbono por si só é extraordinariamente adaptável:é o único ingrediente em (entre outras coisas) diamantes, buckyballs e grafite (o material usado para fazer grafite de lápis).

Esta última forma, grafite, é à primeira vista a mais mundana, mas finas folhas dela abrigam uma riqueza de física incomum. A pesquisa em folhas individuais de grafite com a espessura de um átomo – chamado grafeno – decolou depois de 2004, quando os cientistas desenvolveram uma maneira confiável de produzi-lo (usando fita adesiva comum para descascar repetidamente as camadas). Em 2010, os primeiros experimentos demonstrando a riqueza quântica do grafeno renderam a dois pesquisadores o Prêmio Nobel de física.

Nos últimos anos, o grafeno continuou dando. Os pesquisadores descobriram que empilhar camadas de grafeno duas ou três de cada vez (chamado, respectivamente, grafeno de bicamada ou grafeno de três camadas) e torcer as camadas uma em relação à outra abre um novo território fértil para os cientistas explorarem. A pesquisa sobre essas folhas empilhadas de grafeno é como o Velho Oeste, completo com a atração do ouro impressionante e a incerteza do território inexplorado.

Pesquisadores do JQI e do Centro de Teoria da Matéria Condensada (CMTC) da Universidade de Maryland, incluindo os bolsistas do JQI Sankar Das Sarma e Jay Sau e outros, estão ocupados criando a base teórica da física que será um mapa desse novo cenário. E há muito para mapear; os fenômenos no grafeno variam do familiar, como o magnetismo, a coisas mais exóticas, como a estranha metalicidade, diferentes versões do efeito Hall quântico e o efeito Pomeranchuk - cada um dos quais envolve a coordenação de elétrons para produzir comportamentos únicos. Uma das veias mais promissoras para o tesouro científico é o aparecimento da supercondutividade (fluxo elétrico sem perdas) no grafeno empilhado.

“Aqui está um sistema onde quase todas as fases quânticas interessantes da matéria que os teóricos jamais poderiam imaginar aparecem em um único sistema, pois o ângulo de torção, a densidade da portadora e a temperatura são ajustados em uma única amostra em um único experimento”, diz Das Sarma, que também é o Diretor do CMTC. "Parece magia ou fantasia científica, exceto que está acontecendo todos os dias em pelo menos dez laboratórios do mundo."

A riqueza e diversidade dos comportamentos elétricos em pilhas de grafeno inspiraram uma debandada de pesquisas. A reunião de março da American Physical Society de 2021 incluiu 13 sessões abordando os tópicos de grafeno ou bicamadas torcidas, e Das Sarma organizou uma conferência virtual de um dia em junho para pesquisadores discutirem o grafeno torcido e as pesquisas relacionadas inspiradas no tópico. O tópico do grafeno empilhado é amplamente representado em revistas científicas, e o servidor de pré-impressão on-line arXiv tem mais de 2.000 artigos publicados sobre "grafeno de camada dupla" - quase 1.000 desde 2018.

Talvez surpreendentemente, a riqueza de oportunidades de pesquisa quântica do grafeno esteja ligada à sua simplicidade física.

O grafeno é uma folha de favo de mel repetida com um átomo de carbono em cada canto. Os átomos de carbono se prendem fortemente uns aos outros, tornando as imperfeições no padrão incomuns. Cada átomo de carbono contribui com um elétron que pode se mover livremente entre os átomos, e as correntes elétricas são muito boas para viajar através das folhas resultantes. Além disso, o grafeno é leve, tem uma resistência à tração que é mais de 300 vezes maior que a do aço e é excepcionalmente bom em absorver a luz. Esses recursos facilitam o trabalho e também são fáceis de obter.

A estrutura pura e consistente do grafeno é uma excelente personificação do ideal físico de um material sólido bidimensional. Isso o torna o playground perfeito para entender como a física quântica se desenrola no material sem que os pesquisadores tenham que se preocupar com as complicações da bagunça adicional que ocorre na maioria dos materiais. Há então uma variedade de novas propriedades que são desbloqueadas empilhando camadas de grafeno umas sobre as outras. Cada camada pode ser girada (pelo que os cientistas chamam de "ângulo de torção") ou deslocada em relação ao padrão hexagonal de seus vizinhos.

As propriedades estruturais e elétricas do grafeno facilitam a mudança da paisagem quântica que os elétrons experimentam em um experimento, dando aos pesquisadores várias opções de como personalizar ou ajustar as propriedades elétricas do grafeno. A combinação desses blocos de construção básicos já resultou em uma variedade de resultados diferentes, e eles não terminaram de experimentar.

Um floreio 'mágico'

No mundo quântico dos elétrons no grafeno, a maneira como as camadas ficam umas sobre as outras é importante. Quando as folhas adjacentes em uma bicamada são torcidas uma em relação à outra, alguns átomos na folha superior terminam quase logo acima de seu vizinho correspondente, enquanto em outros lugares os átomos terminam distantes (em escala atômica) de qualquer átomo na outra folha. . Essas diferenças formam padrões gigantes e repetitivos semelhantes à distribuição de átomos em uma única folha, mas em uma escala muito maior, como mostrado na imagem no topo da história e no visual interativo abaixo.

Cada mudança de ângulo também muda a escala do padrão maior que forma a paisagem quântica através da qual os elétrons viajam. Os ambientes quânticos formados por vários padrões repetidos (ou falta de qualquer organização) são uma das principais razões pelas quais os elétrons se comportam de maneira diferente em vários materiais; em particular, o ambiente quântico de um material dita as interações que os elétrons experimentam. Assim, cada pequena torção de uma camada de grafeno abre um novo mundo de possibilidades elétricas.

"Esta reviravolta é realmente um novo botão de ajuste que estava ausente antes da descoberta desses materiais 2D", diz Fengcheng Wu, que trabalhou em pesquisa de grafeno com Das Sarma como pós-doutorando em JQI e CMTC e agora colabora com ele como professor em Wuhan. Universidade na China. "Na física, não temos muitos botões de ajuste. Temos temperatura, pressão, campo magnético e campo elétrico. Agora temos um novo botão de ajuste que é uma grande coisa. E esse ângulo de torção também oferece novas oportunidades para estudar física."

Os pesquisadores descobriram que em um pequeno ângulo de torção especial (cerca de 1,1 graus) - caprichosamente chamado de "ângulo mágico" - o ambiente é perfeito para criar interações fortes que mudam radicalmente suas propriedades. Quando esse ângulo preciso é alcançado, os elétrons tendem a se agrupar em torno de certas áreas do grafeno, e novos comportamentos elétricos aparecem de repente como se fossem convocados com um dramático floreio de mágico. O grafeno de ângulo mágico se comporta como um isolante mal condutor em algumas circunstâncias e em outros casos chega ao extremo oposto de ser um supercondutor – um material que transporta eletricidade sem perda de energia.

A descoberta do grafeno de ângulo mágico e que ele tem certos comportamentos quânticos semelhantes a um supercondutor de alta temperatura foi a descoberta do ano do Physics World 2018. Os supercondutores têm muitos usos potenciais valiosos, como revolucionar a infraestrutura de energia e fabricar trens maglev eficientes. Encontrar um supercondutor conveniente à temperatura ambiente tem sido um santo graal para os cientistas.

A descoberta de uma nova forma promissora de supercondutividade e uma infinidade de outras esquisitices elétricas, todas com um novo botão conveniente para brincar, são desenvolvimentos significativos, mas a coisa mais empolgante para os físicos são todas as novas questões que as descobertas levantaram. Das Sarma investigou muitos aspectos do grafeno em camadas, resultando em mais de 15 artigos sobre o tema desde 2019; ele diz que duas das questões que mais o interessam são como o grafeno se torna supercondutor e como ele se torna magnético.

"Várias multicamadas de grafeno estão se tornando um playground mais rico para a física do que qualquer outra matéria condensada conhecida ou sistema coletivo atômico - a ocorrência de supercondutividade, magnetismo, isolante correlacionado, metal estranho aqui é acoplado a uma topologia não trivial subjacente, proporcionando uma interação entre interação, estrutura de banda e topologia que é única e sem precedentes", diz Das Sarma. "O assunto deve permanecer na vanguarda das pesquisas por muito tempo."

Companheiros estranhos

Os cientistas sabem sobre supercondutividade e magnetismo há muito tempo, mas o grafeno não está onde eles esperavam encontrá-los. Encontrar ambos individualmente foi uma surpresa, mas os cientistas também descobriram que os dois fenômenos ocorrem simultaneamente em alguns experimentos.

A supercondutividade e o magnetismo geralmente são antagonistas, então a presença deles juntos em uma pilha de grafeno sugere que algo incomum está acontecendo. Pesquisadores, como Das Sarma, esperam que descobrir quais interações levam a esses fenômenos no grafeno lhes dê uma compreensão mais profunda da física subjacente e talvez lhes permita descobrir mais materiais com propriedades exóticas e úteis.

Uma dica do tesouro possivelmente esperando para ser descoberto são as medições das propriedades elétricas do grafeno de bicamada torcida, que se assemelham a comportamentos observados em certos supercondutores de alta temperatura. Isso sugere que o grafeno pode ser crucial para resolver os mistérios que cercam a supercondutividade de alta temperatura.

As pistas atuais apontam para as peculiaridades das interações eletrônicas sendo a chave para a compreensão do tema. A supercondutividade requer que os elétrons parem, então as interações que conduzem o pareamento nas pilhas de grafeno são naturalmente interessantes.

Em um artigo publicado na Physical Review B , Das Sarma, Wu e Euyheon Hwang, que já foi um cientista pesquisador do JQI e agora é professor da Universidade Sungkyunkwan na Coréia do Sul, propuseram que o que liga pares de elétrons no grafeno de bicamada torcida pode ser surpreendentemente mundano. Eles acham que o mecanismo de emparelhamento pode ser o mesmo dos supercondutores mais bem compreendidos. Mas também pensam que a origem convencional pode resultar em pares não convencionais.

Sua análise sugere que não são apenas as interações que os elétrons têm uns com os outros que são aprimoradas no ângulo mágico, mas também as interações do elétron com as vibrações dos átomos de carbono. As vibrações, chamadas fônons, são a versão mecânica quântica do som e outras vibrações em materiais.

Nos supercondutores mais bem compreendidos, são os fônons que ligam os elétrons em pares. Nesses supercondutores, os elétrons associados precisam ter valores opostos de seu spin – uma propriedade quântica relacionada a como as partículas quânticas se orientam em um campo magnético. Mas a teoria da equipe sugere que, no grafeno, esse mecanismo tradicional de emparelhamento pode não apenas emparelhar elétrons com spins opostos, mas também emparelhar elétrons com o mesmo spin. Sua descrição do método de emparelhamento fornece uma explicação possível para ajudar a entender a supercondutividade em grafeno de camada dupla torcida e materiais à base de grafeno de forma mais geral.

“A supercondutividade não convencional é muito procurada na física, pois é exótica por si só e também pode encontrar aplicações na computação quântica topológica”, diz Wu. "Nossa teoria fornece um mecanismo convencional para supercondutividade não convencional."

Mais recentemente, Das Sarma, Sau, Wu e Yang-Zhi Chou, pesquisador de pós-doutorado em JQI e CMTC, colaboraram para desenvolver uma ferramenta para ajudar os cientistas a entender uma variedade de pilhas de grafeno. Um artigo sobre esta pesquisa foi recentemente aceito na Physical Review Letters. Eles fizeram uma estrutura teórica para explorar a maneira como os elétrons se comportam em uma grade hexagonal. Eles foram inspirados por experimentos com grafeno de três camadas torcidas de ângulo mágico. O grafeno de três camadas torcidas tem a camada do meio torcida em relação às camadas superior e inferior, como um sanduíche de queijo com a fatia torcida para que os cantos se destaquem. Este sanduíche de grafeno atraiu a atenção porque hospeda supercondutividade a uma temperatura mais alta do que a versão de duas pilhas.

O modelo teórico da equipe fornece uma descrição do comportamento dos elétrons em um mundo quântico específico. Usando-o no caso do grafeno de três camadas torcidas, eles mostraram que o emparelhamento incomum de elétrons com o mesmo spin poderia dominar o comportamento dos elétrons e ser a fonte da supercondutividade do grafeno de três camadas torcidas.

Esta nova ferramenta fornece um ponto de partida para investigar outros experimentos com grafeno. E a maneira como o mecanismo de emparelhamento identificado influencia os elétrons pode ser significativo em futuras discussões sobre o papel do magnetismo em experimentos com grafeno.

O magnetismo no grafeno empilhado é seu próprio misterioso truque de mágica. O magnetismo não é encontrado em grafite ou camadas únicas de grafeno, mas de alguma forma aparece quando as pilhas se alinham. É especialmente notável porque a supercondutividade e o magnetismo normalmente não podem coexistir em um material da maneira que aparecem nas pilhas de grafeno.

“Esse estado supercondutor não convencional no grafeno de três camadas torcidas pode resistir a um grande campo magnético, uma propriedade que raramente é vista em outros materiais supercondutores conhecidos”, diz Chou.

Em outro artigo na Revisão Física B , Das Sarma e Wu abordaram o enigma da presença simultânea de supercondutividade e magnetismo no grafeno de dupla camada torcida - um sistema como o grafeno de camada dupla, mas onde a torção está entre dois pares de folhas de grafeno alinhadas (para um total de quatro folhas). Essa construção com camadas adicionais chamou a atenção porque cria um ambiente quântico mais sensível que uma bicamada básica a um campo elétrico aplicado através da pilha, dando aos pesquisadores uma maior capacidade de ajustar a supercondutividade e o magnetismo e observá-los em diferentes situações quânticas.

No artigo, a equipe fornece uma explicação para a fonte do magnetismo e como um campo elétrico aplicado pode produzir a mudança observada no comportamento magnético de uma pilha. Eles acreditam que o magnetismo surge de uma maneira completamente diferente do que em ímãs mais comuns, como ímãs de geladeira à base de ferro. Em um ímã de ferro, cada um dos átomos de ferro individuais tem seu próprio pequeno campo magnético. Mas a equipe acredita que no grafeno os átomos de carbono não estão se tornando magnéticos. Em vez disso, eles acham que o magnetismo vem de elétrons que se movem livremente pela folha.

Sua teoria sugere que o grafeno de dupla camada se torna magnético por causa de como os elétrons se separam melhor no ambiente quântico específico. Esse impulso adicional pode levar os elétrons a coordenar seus campos magnéticos individuais para criar um campo maior.

A coordenação dos spins dos elétrons também pode ser relevante para o emparelhamento de elétrons e a formação de supercondutividade potencial. Spin pode ser imaginado como uma flecha que quer se alinhar com qualquer campo magnético circundante. A supercondutividade normalmente falha quando o magnetismo é forte o suficiente para separar os dois spins opostos. Mas ambos os spins alinhados nos pares explicariam os dois fenômenos coexistindo pacificamente em experimentos com grafeno.

Na próxima curva do rio

Embora essas teorias sirvam como um guia para pesquisadores avançando no território desconhecido da pesquisa do grafeno, elas estão longe de ser um mapa definitivo. Na conferência que Das Sarma organizou em junho, um pesquisador apresentou novas observações de supercondutividade em três folhas de grafeno empilhadas sem nenhuma torção. Essas pilhas se deslocam para que nenhuma das camadas fique em cima uma da outra; cada hexágono tem alguns de seus átomos de carbono colocados no centro dos hexágonos das outras camadas. O experimento revelou duas áreas distintas de supercondutividade, uma das quais é perturbada pelo magnetismo e a outra não. Isso sugere que o twist pode não ser o ingrediente mágico que produz todos os fenômenos exóticos, mas também levanta novas questões, oferece um caminho para identificar quais comportamentos eletrônicos são criados ou aprimorados pelo twist "mágico" e oferece uma nova oportunidade investigar as fontes fundamentais da física subjacente.

Inspirados por este trabalho e observações anteriores de magnetismo na mesma colaboração de Das Sarma, Sau, Wu e Chou exploraram matematicamente a maneira como o acoplamento de fônons de elétrons pode estar ocorrendo nessas pilhas sem torção. A análise da equipe sugere que o emparelhamento de fônons é o provável condutor de ambos os tipos de supercondutividade, com um ocorrendo com giros correspondentes e outro com giros opostos. Este trabalho, liderado por Chou, foi recentemente aceito em Physical Review Letters e foi escolhido como Sugestão dos Editores da PRL.

Esses resultados representam apenas uma fração do trabalho em experimentos com grafeno no JQI e no CMTC, e muitos outros pesquisadores abordaram aspectos adicionais desse rico tópico. Mas ainda há muito a descobrir e entender antes que o tópico do grafeno em camadas seja mapeado e domado território. Essas primeiras descobertas sugerem que, à medida que os pesquisadores se aprofundam, eles podem descobrir novas veias de pesquisa, representando uma riqueza de oportunidades para entender a nova física e talvez até desenvolver novas tecnologias.

“As aplicações são difíceis de prever, mas a extrema capacidade de ajuste desses sistemas, mostrando tantas fases e fenômenos diferentes, torna provável que possa haver aplicações”, diz Das Sarma. "Nesta fase, é uma pesquisa fundamental muito emocionante." + Explorar mais

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