Pesquisadores da IMDEA Nanociencia desenvolveram um método analítico para explicar a formação de um padrão moiré 1D quase perfeito em grafeno de dupla camada torcida. O padrão, que ocorre naturalmente em materiais 2D empilhados quando uma força de deformação é aplicada, representa um conjunto de canais para elétrons.



Pierre Pantaleón, pesquisador do Grupo de Modelagem Teórica do IMDEA Nanociência, conversou com o líder do grupo, Prof. Paco Guinea, sobre o grafeno de bicamada tensa, que são duas camadas de grafeno empilhadas uma sobre a outra e ligeiramente esticadas por uma pequena força . Pierre, um pesquisador meticuloso com uma queda por recursos visuais, estava mostrando ao grupo sua visualização animada de grafeno tenso quando Paco percebeu uma anomalia que havia escapado ao escrutínio de todos.

Acontece que quando a bicamada de grafeno fica sob tensão, sua zona de Brillouin (a célula unitária no espaço de momento) distorce e eventualmente colapsa em uma direção. Esta distorção no ponto de colapso causou um erro no programa de visualização de Pierre, sugerindo a presença de algum tipo de singularidade.

Na física, singularidades, como a que os pesquisadores observaram, exigem uma consideração cuidadosa. Eles podem indicar que algo está errado ou mudando, ou simplesmente precisa de um exame mais detalhado. Dr. Andreas Sinner, físico teórico que atualmente trabalha na Universidade de Opole, na Polônia, juntou-se ao grupo de pesquisa de Paco e começou a pesquisar junto com Pierre a origem dessa singularidade.

Foi a transformação simultânea no espaço real que realmente cativou a atenção deles:o grafeno tenso deu origem ao surgimento de padrões moiré unidimensionais quase perfeitos – canais unidimensionais – dentro do material bidimensional.

Anteriormente, os cientistas tinham vislumbrado tais fenômenos através de um microscópio e os consideravam como erros de projeto, como deslocamentos ou materiais aderidos. Veja, por exemplo, o trabalho de McEuen (Universidade Cornell), Mendoza (Universidade do Rio de Janeiro) ou Zhu (Universidade Columbia).

Mas por trás do que pareciam ser artefatos havia efeitos mascarados. A equipe de pesquisa da IMDEA Nanociencia confirma que esta é uma ocorrência natural dentro de redes hexagonais em forma de favo de mel – como as do grafeno – que ocorre especificamente quando duas camadas são empilhadas em um leve ângulo de torção e a tensão é aplicada.

A contribuição mais significativa dos pesquisadores reside na descoberta de soluções analíticas para a deformação crítica necessária para gerar esses canais unidimensionais. Surpreendentemente, esta solução é maravilhosamente simples, dependendo apenas de duas variáveis:o ângulo de torção e a relação de Poisson – uma constante específica do material. Essas descobertas os levaram a criar uma única fórmula matemática para descrever o fenômeno, e essa fórmula nos dá informações sobre sua origem física.

A física descrita em seu trabalho, agora publicado em Physical Review Letters , não é novo, mas a explicação do fenómeno em termos tão simples – uma única expressão analítica – é elegante e única.

As descobertas abrem as portas para a engenharia de novos materiais em superfícies capazes de apresentar esses canais unidimensionais. Dentro desses canais, os elétrons ficam confinados, em contraste com o movimento livre que exibem na paisagem 2D padrão do grafeno. Os elétrons dentro desses canais também exibem uma direção preferencial de movimento.

As implicações desta descoberta são vastas, com aplicações potenciais que se estendem a outros materiais, como os dichalcogenetos, que também podem ser estendidos a outras configurações geométricas.

Mais informações: Andreas Sinner et al, Strain-Induced Quasi-1D Channels in Twisted Moiré Lattices, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.166402
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