Você acha que sabe tudo sobre um material? Tente dar uma reviravolta - literalmente. Essa é a ideia principal de um campo emergente na física da matéria condensada chamado "twistrônica", que faz com que os pesquisadores mudem drasticamente as propriedades de materiais 2D, como o grafeno, com mudanças sutis - tão pequenas quanto passar de 1,1° para 1,2° - no ângulo. entre camadas empilhadas.



Demonstrou-se que camadas torcidas de grafeno, por exemplo, se comportam de maneiras que folhas únicas não o fazem, inclusive agindo como ímãs, como supercondutores elétricos ou como isolantes opostos de um supercondutor, tudo devido a pequenas mudanças no ângulo de torção entre as folhas.

Em teoria, você poderia definir qualquer propriedade girando um botão que altera o ângulo de torção. A realidade, no entanto, não é tão simples, diz o físico da Columbia, Cory Dean. Duas camadas torcidas de grafeno podem se tornar como um novo material, mas exatamente por que essas diferentes propriedades se manifestam não é bem compreendido, muito menos algo que ainda pode ser totalmente controlado.

Dean e seu laboratório criaram uma nova técnica de fabricação simples que pode ajudar os físicos a investigar as propriedades fundamentais das camadas torcidas de grafeno e outros materiais 2D de uma forma mais sistemática e reprodutível. Escrevendo em Ciências , eles usam longas “fitas” de grafeno, em vez de flocos quadrados, para criar dispositivos que oferecem um novo nível de previsibilidade e controle sobre o ângulo de torção e a deformação.

Dispositivos de grafeno normalmente são montados a partir de flocos de grafeno da espessura de um átomo, com apenas alguns milímetros quadrados. O ângulo de torção resultante entre as folhas é fixado no lugar e pode ser difícil agrupar os flocos suavemente.

“Imagine o grafeno como pedaços de filme plástico – quando você junta duas peças, você obtém pequenas rugas e bolhas aleatórias”, diz o pós-doutorado Bjarke Jessen, coautor do artigo. Essas bolhas e rugas são semelhantes às mudanças no ângulo de torção entre as folhas e à tensão física que se desenvolve entre elas e podem fazer com que o material se dobre, dobre e comprima aleatoriamente. Todas essas variações podem gerar novos comportamentos, mas têm sido difíceis de controlar dentro e entre dispositivos.

As fitas podem ajudar a suavizar as coisas. A nova pesquisa do laboratório mostra que, com apenas um pequeno empurrão da ponta de um microscópio de força atômica, eles podem dobrar uma fita de grafeno em um arco estável que pode então ser colocado no topo de uma segunda camada de grafeno não curvada.

O resultado é uma variação contínua no ângulo de torção entre as duas folhas que se estende de 0° a 5° em todo o comprimento do dispositivo, com tensão distribuída uniformemente por toda parte – sem mais bolhas ou rugas aleatórias para enfrentar. “Não precisamos mais fabricar 10 dispositivos separados com 10 ângulos diferentes para ver o que acontece”, disse a pós-doutoranda e coautora Maëlle Kapfer. "E agora podemos controlar a tensão, que faltava completamente nos dispositivos torcidos anteriores."

A equipe usou microscópios especiais de alta resolução para confirmar a uniformidade de seus dispositivos. Com essas informações espaciais, eles desenvolveram um modelo mecânico que prevê ângulos de torção e valores de deformação simplesmente com base no formato da fita curva.

Este primeiro artigo concentrou-se na caracterização do comportamento e das propriedades de fitas de grafeno, bem como de outros materiais que podem ser desbastados em camadas únicas e empilhados uns sobre os outros. “Funcionou com todos os materiais 2D que testamos até agora”, observou Dean.

A partir daqui, o laboratório planeja usar sua nova técnica para explorar como as propriedades fundamentais dos materiais quânticos mudam em função do ângulo de torção e da deformação. Por exemplo, pesquisas anteriores mostraram que duas camadas torcidas de grafeno agem como um supercondutor quando o ângulo de torção é 1,1.

No entanto, existem modelos concorrentes para explicar as origens da supercondutividade neste chamado “ângulo mágico”, bem como previsões de ângulos mágicos adicionais que até agora têm sido muito difíceis de estabilizar, disse Dean. Com dispositivos feitos com fitas, que contêm todos os ângulos entre 0° e 5°, a equipe pode explorar com mais precisão as origens desse e de outros fenômenos.

“O que estamos fazendo é como a alquimia quântica:pegar um material e transformá-lo em outra coisa. Agora temos uma plataforma para explorar sistematicamente como isso acontece”, disse Jessen.

Mais informações: Maëlle Kapfer et al, Programação de ângulo de torção e perfis de deformação em materiais 2D, Ciência (2023). DOI:10.1126/science.ade9995
Informações do diário: Ciência

Fornecido pela Universidade de Columbia