Pesquisadores do Instituto Nacional de Grafeno (NGI) da Universidade de Manchester revisitaram um dos materiais mais antigos da Terra – o grafite – e descobriram uma nova física que escapou ao campo por décadas.



Apesar de ser feita inteiramente de camadas de átomos de carbono dispostas num padrão de favo de mel, a grafite natural não é tão simples como se possa pensar. A maneira como essas camadas atômicas se empilham umas sobre as outras pode resultar em diferentes tipos de grafite, caracterizados por diferentes ordens de empilhamento de planos atômicos consecutivos.

A maior parte da grafite que aparece naturalmente tem empilhamento hexagonal, tornando-a um dos materiais mais “comuns” da Terra. A estrutura do cristal de grafite é um padrão repetitivo. Esse padrão é interrompido na superfície do cristal e leva ao que é chamado de “estados de superfície”, que são como ondas que desaparecem lentamente à medida que você se aprofunda no cristal. Mas como os estados de superfície podem ser ajustados no grafite ainda não foi bem compreendido.

A tecnologia Van der Waals e twistronics (empilhamento de dois cristais 2D em um ângulo de torção para ajustar em grande medida as propriedades da estrutura resultante, devido ao padrão moiré formado em sua interface) são os dois principais campos na pesquisa de materiais 2D. Agora, a equipe de pesquisadores do NGI, liderada pelo Prof. Artem Mishchenko, emprega o padrão moiré para ajustar os estados superficiais do grafite, uma reminiscência de um caleidoscópio com imagens em constante mudança à medida que a lente gira, revelando a extraordinária nova física por trás do grafite.

Em particular, o professor Mishchenko expandiu a técnica twistrônica para grafite tridimensional e descobriu que o potencial moiré não apenas modifica os estados da superfície da grafite, mas também afeta o espectro eletrônico de toda a massa do cristal de grafite. Muito parecido com a conhecida história de A Princesa e a Ervilha, a princesa sentiu a ervilha através dos vinte colchões e dos vinte edredons. No caso do grafite, o potencial moiré em uma interface alinhada poderia penetrar em mais de 40 camadas grafíticas atômicas.

Esta pesquisa, publicada na última edição da Nature , estudaram os efeitos dos padrões moiré em grafite hexagonal gerado por alinhamento cristalográfico com nitreto de boro hexagonal. O resultado mais fascinante é a observação de uma mistura bidimensional dos estados de superfície e de volume na grafite, que se manifesta em um novo tipo de efeito Hall quântico fractal - uma borboleta de Hofstadter 2,5D.

O professor Artem Mishchenko, da Universidade de Manchester, que já descobriu o efeito Hall quântico de 2,5 dimensões no grafite, disse:"O grafite deu origem ao célebre grafeno, mas as pessoas normalmente não estão interessadas neste material 'antigo'. E agora, mesmo com nosso conhecimento acumulado sobre grafite de diferentes ordens de empilhamento e alinhamento nos últimos anos, ainda consideramos o grafite um sistema muito atraente - muito ainda a ser explorado."

Ciaran Mullan, um dos principais autores do artigo, acrescentou:“Nosso trabalho abre novas possibilidades para controlar propriedades eletrônicas por twistrônica não apenas em materiais 2D, mas também em 3D”.

O professor Vladimir Fal'ko, diretor do Instituto Nacional de Grafeno e físico teórico do Departamento de Física e Astronomia, acrescentou:"O incomum efeito Hall quântico 2,5D no grafite surge como a interação entre dois fenômenos de livros didáticos de física quântica - a quantização de Landau em campos magnéticos fortes e confinamento quântico, levando a outro novo tipo de efeito quântico."

A mesma equipe está agora continuando com a pesquisa do grafite para obter uma melhor compreensão deste material surpreendentemente interessante.

Mais informações: Ciaran Mullan et al, Mistura de superfície moiré e estados em massa em grafite, Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06264-5
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Universidade de Manchester