Uma colaboração liderada pela TU/e ​​e pelo Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia envolvendo pesquisadores de todo o mundo tem a resposta e o porquê, e os resultados foram publicados na revista Science Advances .



Os elétrons transportam energia elétrica, enquanto a energia vibracional é transportada por fônons. Compreender como eles interagem entre si em determinados materiais, como em um sanduíche de duas camadas de grafeno, terá implicações para futuros dispositivos optoeletrônicos.

Trabalhos recentes revelaram que camadas de grafeno torcidas umas em relação às outras por um pequeno “ângulo mágico” podem atuar como isolante ou supercondutor perfeito. Mas a física das interações elétron-fônon é um mistério. Como parte de uma colaboração internacional mundial, o pesquisador da TU/e, Klaas-Jan Tielrooij, liderou um estudo sobre interações elétron-fônon em camadas de grafeno. E eles fizeram uma descoberta surpreendente.

O que o elétron disse ao fônon entre duas camadas de grafeno? Isso pode soar como o início de um meme de física com uma piada hilariante a seguir. Mas esse não é o caso, segundo Klaas-Jan Tielrooij. Ele é professor associado do Departamento de Física Aplicada e Educação Científica da TU/e ​​e líder de pesquisa do novo trabalho publicado em Science Advances .

“Procuramos entender como os elétrons e os fônons ‘conversam’ entre si dentro de duas camadas torcidas de grafeno”, diz Tielrooij.

Os elétrons são os conhecidos portadores de carga e energia associados à eletricidade, enquanto um fônon está ligado ao surgimento de vibrações entre átomos em um cristal atômico.

"No entanto, os fônons não são partículas como os elétrons, eles são uma quase-partícula. No entanto, sua interação com os elétrons em certos materiais e como eles afetam a perda de energia nos elétrons tem sido um mistério há algum tempo", observa Tielrooij.

Mas por que seria interessante aprender mais sobre as interações elétron-fônon? "Essas interações podem ter um efeito importante nas propriedades eletrônicas e optoeletrônicas de dispositivos feitos de materiais como o grafeno, que veremos mais no futuro."

Tielrooij e seus colaboradores, baseados em todo o mundo, na Espanha, Alemanha, Japão e EUA, decidiram estudar as interações elétron-fônon em um caso muito particular – dentro de duas camadas de grafeno, onde as camadas estão ligeiramente desalinhadas. .

O grafeno é uma camada bidimensional de átomos de carbono dispostos em uma rede em favo de mel que possui várias propriedades impressionantes, como alta condutividade elétrica, alta flexibilidade e alta condutividade térmica, além de ser quase transparente.

Em 2018, o prêmio Revelação Mundial da Física do Ano foi para Pablo Jarillo-Herrero e colegas do MIT por seu trabalho pioneiro em twistrônica, onde camadas adjacentes de grafeno são giradas ligeiramente umas em relação às outras para alterar as propriedades eletrônicas do grafeno. .

"Dependendo de como as camadas de grafeno são giradas e dopadas com elétrons, resultados contrastantes são possíveis. Para certos dopings, as camadas atuam como um isolante, o que impede o movimento dos elétrons. Para outros dopings, o material se comporta como um supercondutor - um material com resistência zero que permite o movimento dos elétrons sem dissipação", diz Tielrooij.

Mais conhecido como grafeno de bicamada torcida, esses resultados ocorrem no chamado ângulo mágico de desalinhamento, que é pouco mais de um grau de rotação. "O desalinhamento entre as camadas é minúsculo, mas a possibilidade de um supercondutor ou isolante é um resultado surpreendente."

Como os elétrons perdem energia

Para seu estudo, Tielrooij e a equipe queriam aprender mais sobre como os elétrons perdem energia no grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico, ou MATBG, para abreviar.

Para conseguir isso, eles usaram um material que consiste em duas folhas de grafeno monocamada (cada uma com 0,3 nanômetros de espessura), colocadas uma sobre a outra e desalinhadas uma em relação à outra em cerca de um grau.

Depois, usando duas técnicas de medição optoeletrônica, os pesquisadores conseguiram sondar detalhadamente as interações elétron-fônon e fizeram algumas descobertas surpreendentes.

“Observamos que a energia desaparece muito rapidamente no MATBG – ocorre na escala de tempo de picossegundos, que é um milionésimo de um milionésimo de segundo!” diz Tielrooij.

Esta observação é muito mais rápida do que no caso de uma única camada de grafeno, especialmente em temperaturas ultrafrias (especificamente abaixo de -73°C). "A essas temperaturas, é muito difícil para os elétrons perderem energia para os fônons, mas isso acontece no MATBG. Observamos que a energia desaparece muito rapidamente no MATBG - ocorre na escala de tempo de picossegundos, que é um milionésimo de um- milionésimo de segundo."

Por que os elétrons perdem energia

Então, por que os elétrons estão perdendo energia tão rapidamente através da interação com os fônons? Bem, acontece que os pesquisadores descobriram um processo físico totalmente novo.

"A forte interação elétron-fônon é um processo físico completamente novo e envolve o chamado espalhamento elétron-fônon Umklapp", acrescenta Hiroaki Ishizuka, do Instituto de Tecnologia de Tóquio, no Japão, que desenvolveu a compreensão teórica deste processo junto com Leonid Levitov, de Massachusetts. Instituto de Tecnologia dos EUA

O espalhamento Umklapp entre fônons é um processo que freqüentemente afeta a transferência de calor em materiais, porque permite que quantidades relativamente grandes de momento sejam transferidas entre fônons.

"Vemos os efeitos da dispersão fônon-fônon Umklapp o tempo todo, pois afeta a capacidade dos materiais (não metálicos) em temperatura ambiente de conduzirem calor. Basta pensar em um material isolante no cabo de uma panela, por exemplo, "diz Ishizuka. "No entanto, o espalhamento Umklapp elétron-fônon é raro. Aqui, porém, observamos pela primeira vez como elétrons e fônons interagem por meio do espalhamento Umklapp para dissipar a energia do elétron. A forte interação elétron-fônon é um processo físico completamente novo e envolve o chamado espalhamento elétron-fônon Umklapp."

Desafios resolvidos em conjunto

Tielrooij e colaboradores podem ter concluído a maior parte do trabalho enquanto ele estava baseado na Espanha, no Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia (ICN2), mas como observa Tielrooij. "A colaboração internacional revelou-se fundamental para fazer esta descoberta."

Então, como todos os colaboradores contribuíram para a pesquisa? Tielrooij diz:"Primeiro, precisávamos de técnicas avançadas de fabricação para fazer as amostras MATBG. Mas também precisávamos de uma compreensão teórica profunda do que está acontecendo nas amostras. Além disso, foram necessárias configurações de medição optoeletrônica ultrarrápidas para medir o que está acontecendo nas amostras também A colaboração internacional revelou-se fundamental para fazer esta descoberta."

Tielrooij e a equipe receberam as amostras torcidas em ângulo mágico do grupo de Dmitri Efetov da Ludwig-Maximilians-Universität em Munique, que foi o primeiro grupo na Europa capaz de fazer tais amostras e que também realizou medições de fotomistura, enquanto trabalhava teórico no MIT no Os EUA e no Instituto de Tecnologia de Tóquio, no Japão, revelaram-se cruciais para o sucesso da investigação.

No ICN2, Tielrooij e os membros de sua equipe Jake Mehew e Alexander Block usaram equipamentos de ponta, particularmente microscopia de fotovoltagem com resolução de tempo, para realizar suas medições da dinâmica elétron-fônon nas amostras.

O futuro

Então, como será o futuro para esses materiais? Segundo Tielrooij, não espere nada tão cedo.

"Como o material está sendo estudado há apenas alguns anos, ainda estamos longe de ver o grafeno bicamada torcido em ângulo mágico tendo um impacto na sociedade."

Mas há muito a ser explorado sobre a perda de energia no material.

“Descobertas futuras poderão ter implicações na dinâmica do transporte de carga, o que poderá ter implicações em futuros dispositivos optoeletrônicos ultrarrápidos”, diz Tielrooij. "Em particular, eles seriam muito úteis em baixas temperaturas, o que torna o material adequado para aplicações espaciais e quânticas."

A pesquisa de Tielrooij e da equipe internacional é um verdadeiro avanço no que diz respeito à forma como os elétrons e os fônons interagem entre si.

Mas teremos que esperar um pouco mais para compreender completamente as consequências do que o elétron disse ao fônon no sanduíche de grafeno.

Mais informações: Jake Dudley Mehew et al, Resfriamento elétron-fônon assistido por Umklapp ultrarrápido em grafeno de bicamada torcida de ângulo mágico, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj1361
Informações do diário: Avanços da Ciência

Fornecido pela Universidade de Tecnologia de Eindhoven