Físicos do MIT deram um passo fundamental para resolver o quebra-cabeça do que leva os elétrons a se dividirem em frações de si mesmos. A solução deles lança luz sobre as condições que dão origem a estados eletrônicos exóticos no grafeno e outros sistemas bidimensionais.

O novo trabalho é um esforço para dar sentido a uma descoberta que foi relatada no início deste ano por um grupo diferente de físicos no MIT, liderado pelo Professor Assistente Long Ju. A equipe de Ju descobriu que os elétrons parecem exibir "carga fracionária" no grafeno pentacamada — uma configuração de cinco camadas de grafeno que são empilhadas sobre uma folha de nitreto de boro de estrutura semelhante.

Ju descobriu que quando ele enviava uma corrente elétrica através da estrutura da pentacamada, os elétrons pareciam passar como frações de sua carga total, mesmo na ausência de um campo magnético.

Cientistas já haviam mostrado que elétrons podem se dividir em frações sob um campo magnético muito forte, no que é conhecido como efeito Hall quântico fracionário. O trabalho de Ju foi o primeiro a descobrir que esse efeito era possível no grafeno sem um campo magnético — que até recentemente não era esperado que exibisse tal efeito.

O fenômeno foi chamado de "efeito Hall anômalo quântico fracionário", e os teóricos estão ansiosos para encontrar uma explicação para como a carga fracionária pode emergir do grafeno de pentacamada.

O novo estudo, liderado pelo professor de física do MIT Senthil Todadri, fornece uma parte crucial da resposta. Por meio de cálculos de interações mecânicas quânticas, ele e seus colegas mostram que os elétrons formam um tipo de estrutura cristalina, cujas propriedades são ideais para frações de elétrons emergirem.

O estudo da equipe foi publicado na semana passada no periódico Physical Review Letters. Duas outras equipes de pesquisa — uma da Universidade Johns Hopkins e a outra da Universidade Harvard, da Universidade da Califórnia em Berkeley e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley — publicaram resultados semelhantes na mesma edição. A equipe do MIT inclui Zhihuan Dong Ph.D. '24 e o ex-pós-doutorado Adarsh Patri.

Em 2018, o professor de física do MIT Pablo Jarillo-Herrero e seus colegas foram os primeiros a observar que um novo comportamento eletrônico poderia emergir do empilhamento e torção de duas folhas de grafeno. Cada camada de grafeno é tão fina quanto um único átomo e estruturada em uma rede de arame de átomos de carbono hexagonais.

Ao empilhar duas folhas em um ângulo muito específico uma da outra, ele descobriu que a interferência resultante, ou padrão moiré, induzia fenômenos inesperados, como propriedades supercondutoras e isolantes no mesmo material. Esse "grafeno de ângulo mágico", como logo foi cunhado, deu início a um novo campo conhecido como twistrônica, o estudo do comportamento eletrônico em materiais bidimensionais torcidos.

"Pouco depois de seus experimentos, percebemos que esses sistemas moiré seriam plataformas ideais em geral para encontrar os tipos de condições que permitem que essas fases fracionárias de elétrons surjam", diz Todadri, que colaborou com Jarillo-Herrero em um estudo naquele mesmo ano para mostrar que, em teoria, esses sistemas torcidos poderiam exibir carga fracionária sem um campo magnético. "Estávamos defendendo esses como os melhores sistemas para procurar esses tipos de fenômenos fracionários", diz ele.

Então, em setembro de 2023, Todadri participou de uma chamada pelo Zoom com Ju, que conhecia o trabalho teórico de Todari e mantinha contato com ele por meio do trabalho experimental de Ju.

"Ele me ligou em um sábado e me mostrou os dados nos quais viu essas frações [de elétrons] no grafeno pentacamada", relembra Todadri. "E isso foi uma grande surpresa porque não aconteceu da forma como pensávamos."

Em seu artigo de 2018 , Todadri previu que a carga fracionária deveria emergir de uma fase precursora caracterizada por uma torção particular da função de onda do elétron.

Em termos gerais, ele teorizou que as propriedades quânticas de um elétron deveriam ter uma certa torção, ou grau em que ele pode ser manipulado sem mudar sua estrutura inerente. Esse enrolamento, ele previu, deveria aumentar com o número de camadas de grafeno adicionadas a uma dada estrutura moiré.

"Para o grafeno pentacamada, pensamos que a função de onda daria cinco voltas, e isso seria um precursor para frações de elétrons", diz Todadri. "Mas ele fez seus experimentos e descobriu que ela dá voltas, mas apenas uma vez. Isso então levantou esta grande questão: como devemos pensar sobre o que quer que estejamos vendo?"

No novo estudo da equipe, Todadri voltou a trabalhar como frações de elétrons poderiam emergir do grafeno pentacamada se não pelo caminho que ele previu inicialmente. Os físicos analisaram sua hipótese original e perceberam que podem ter perdido um ingrediente-chave.

"A estratégia padrão no campo ao descobrir o que está acontecendo em qualquer sistema eletrônico é tratar os elétrons como atores independentes e, a partir disso, descobrir sua topologia, ou enrolamento", explica Todadri. "Mas, a partir dos experimentos de Long, sabíamos que essa aproximação deve estar incorreta."

Enquanto na maioria dos materiais os elétrons têm bastante espaço para se repelirem e circularem como agentes independentes, as partículas ficam muito mais confinadas em estruturas bidimensionais, como o grafeno de pentacamada.

Em espaços tão apertados, a equipe percebeu que os elétrons também deveriam ser forçados a interagir, comportando-se de acordo com suas correlações quânticas, além de sua repulsão natural. Quando os físicos adicionaram interações interelétrons à sua teoria, eles descobriram que ela previa corretamente o enrolamento que Ju observou para o grafeno pentacamada.

Depois de obter uma previsão teórica que correspondesse às observações, a equipe pôde trabalhar a partir dessa previsão para identificar um mecanismo pelo qual o grafeno de pentacamada deu origem à carga fracionária.

Eles descobriram que o arranjo moiré do grafeno pentacamada, no qual cada camada de átomos de carbono em forma de rede é disposta sobre a outra e sobre o nitreto de boro, induz um potencial elétrico fraco. Quando os elétrons passam por esse potencial, eles formam uma espécie de cristal, ou uma formação periódica, que confina os elétrons e os força a interagir por meio de suas correlações quânticas.

Esse cabo de guerra de elétrons cria uma espécie de nuvem de possíveis estados físicos para cada elétron, que interage com todas as outras nuvens de elétrons no cristal, em uma função de onda, ou um padrão de correlações quânticas, que fornece o enrolamento que deve preparar o cenário para que os elétrons se dividam em frações de si mesmos.

"Este cristal tem um conjunto inteiro de propriedades incomuns que são diferentes dos cristais comuns, e leva a muitas questões fascinantes para pesquisas futuras", diz Todadri. "Para o curto prazo, este mecanismo fornece a base teórica para entender as observações de frações de elétrons no grafeno pentacamada e para prever outros sistemas com física similar."