Físicos transformam grafite de lápis em ouro metafórico
Representação artística da correlação de elétrons, ou capacidade dos elétrons de se comunicarem entre si, que pode ocorrer em um tipo especial de grafite (grafite de lápis). Crédito:Sampson Wilcox, Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT Físicos e colegas do MIT transformaram metaforicamente grafite, ou grafite de lápis, em ouro, isolando cinco flocos ultrafinos empilhados em uma ordem específica. O material resultante pode então ser ajustado para exibir três propriedades importantes nunca antes vistas na grafite natural.
“É como se fosse um balcão único”, diz Long Ju, professor assistente do Departamento de Física do MIT e líder do trabalho, publicado na Nature Nanotechnology. . "Neste caso, nunca percebemos que todas essas coisas interessantes estão incorporadas no grafite."
Além disso, ele diz:“É muito raro encontrar materiais que possam hospedar tantas propriedades”.
A grafite é composta de grafeno, que é uma única camada de átomos de carbono dispostos em hexágonos que lembram uma estrutura em favo de mel. O grafeno, por sua vez, tem sido foco de intensas pesquisas desde que foi isolado pela primeira vez, há cerca de 20 anos. Então, há cerca de cinco anos, pesquisadores, incluindo uma equipe do MIT, descobriram que empilhar folhas individuais de grafeno e torcê-las em um leve ângulo entre si pode conferir novas propriedades ao material, da supercondutividade ao magnetismo. Nasceu o campo da "twistronics".
No trabalho atual, “descobrimos propriedades interessantes sem nenhuma torção”, diz Ju, que também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais.
Ele e seus colegas descobriram que cinco camadas de grafeno dispostas em uma determinada ordem permitem que os elétrons que se movem dentro do material conversem entre si. Esse fenômeno, conhecido como correlação eletrônica, “é a mágica que torna possíveis todas essas novas propriedades”, diz Ju.
Grafite em massa – e até mesmo folhas únicas de grafeno – são bons condutores elétricos, mas é isso. O material isolado por Ju e colegas, que eles chamam de grafeno empilhado romboédrico pentacamada, torna-se muito mais do que a soma de suas partes. Zhengguang Lu, associado de pós-doutorado do MIT, professor assistente Long Ju e estudante de pós-graduação Tonghang Han no laboratório. Os três são autores, junto com outros sete, de um artigo na Nature Nanotechnology sobre um tipo especial de grafite (grafite de lápis). Crédito:Ju lab, MIT Novo microscópio
A chave para isolar o material foi um novo microscópio que Ju construiu no MIT em 2021, que pode determinar de forma rápida e relativamente barata uma variedade de características importantes de um material em nanoescala. O grafeno empilhado romboédrico de pentacamada tem apenas alguns bilionésimos de metro de espessura.
Cientistas, incluindo Ju, procuravam grafeno multicamadas empilhado em uma ordem muito precisa, conhecida como empilhamento romboédrico. Diz Ju, “existem mais de 10 ordens de empilhamento possíveis quando você passa para cinco camadas. O romboédrico é apenas uma delas”. O microscópio construído por Ju, conhecido como Microscopia Óptica de Campo Próximo de Varredura do Tipo Dispersão, ou s-SNOM, permitiu aos cientistas identificar e isolar apenas as pentacamadas na ordem de empilhamento romboédrica na qual estavam interessados.
Três em um
A partir daí, a equipe anexou eletrodos a um pequeno sanduíche composto de “pão” de nitreto de boro que protege a delicada “carne” do grafeno empilhado romboédrico pentacamada. Os eletrodos permitiram sintonizar o sistema com diferentes tensões ou quantidades de eletricidade. O resultado:eles descobriram o surgimento de três fenômenos diferentes dependendo do número de elétrons que inundam o sistema.
“Descobrimos que o material pode ser isolante, magnético ou topológico”, diz Ju. Este último está relacionado tanto com condutores quanto com isoladores. Essencialmente, explica Ju, um material topológico permite o movimento desimpedido dos elétrons ao redor das bordas de um material, mas não através do meio. Os elétrons viajam em uma direção ao longo de uma "rodovia" na borda do material, separada por uma mediana que constitui o centro do material. Portanto, a borda de um material topológico é um condutor perfeito, enquanto o centro é um isolante.
"Nosso trabalho estabelece o grafeno multicamadas empilhado romboédrico como uma plataforma altamente ajustável para estudar essas novas possibilidades de física topológica e fortemente correlacionada", concluem Ju e seus co-autores.
Além de Ju, os autores do artigo são Tonghang Han e Zhengguang Lu. Han é estudante de pós-graduação no Departamento de Física; Lu é pós-doutorando associado no Laboratório de Pesquisa de Materiais. Os dois são co-autores do artigo.
Mais informações: Tonghang Han et al, Isolador correlacionado e isoladores Chern em grafeno empilhado romboédrico pentacamada, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01520-1 Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza
Fornecido pelo Laboratório de Pesquisa de Materiais, Instituto de Tecnologia de Massachusetts
