Uma equipe de pesquisa internacional liderada pela Universidade de Manchester revelou um nanomaterial que reflete o efeito de "a¢ngulo ma¡gico" originalmente encontrado em uma estrutura artificial complexa conhecida como grafeno de dupla camada torcida - uma área-chave de estudo da física nos últimos anos.

A nova pesquisa mostra que a topologia especial de grafite romboanãdrica fornece efetivamente uma "torção" embutida e, portanto, oferece um meio alternativo para estudar efeitos potencialmente revoluciona¡rios, como a supercondutividade. "a‰ uma alternativa interessante aos estudos altamente populares do grafeno de a¢ngulo ma¡gico", disse o pioneiro do grafeno, o professor Sir Andre Geim, coautor do estudo.

A equipe, liderada por Artem Mishchenko, Professor de Fa­sica da Matanãria Condensada da Universidade de Manchester, publicou suas descobertas na revista Nature nesta quarta-feira, 12 de agosto de 2020.

"Grafite romboanãdrica pode ajudar a entender melhor os materiais nos quais fortes correlações eletra´nicas são importantes - como compostos de fanãrmions pesados ​​e supercondutores de alta temperatura ", disse o professor Mishchenko.

Um passo anterior na pesquisa de materiais bidimensionais foi o comportamento curioso de que empilhar uma folha de grafeno uma sobre a outra e torcaª-la em um 'a¢ngulo ma¡gico' mudou as propriedades da bicamada, transformando-a em um supercondutor.

O professor Mishchenko e seus colegas observaram agora o surgimento de fortes interações elanãtron-elanãtron em uma forma romboanãdrica fracamente esta¡vel de grafite - a forma na qual as camadas de grafeno se empilham de maneira ligeiramente diferente em comparação com a forma hexagonal esta¡vel.

As interações no grafeno de dupla camada torcida são excepcionalmente sensa­veis ao a¢ngulo de torção. Pequenos desvios de cerca de 0,1 grau do a¢ngulo ma¡gico exato suprimem fortemente as interações. a‰ extremamente difa­cil fazer dispositivos com a precisão necessa¡ria e, especialmente, encontrar outros suficientemente uniformes para estudar a física emocionante envolvida. As descobertas recentemente publicadas sobre grafite romboanãdrica agora abriram uma rota alternativa para fazer dispositivos supercondutores com precisão.

A grafite, um material de carbono feito de camadas de grafeno empilhadas, tem duas formas esta¡veis: hexagonal e romboanãdrica. O primeiro émais esta¡vel e, portanto, foi amplamente estudado, enquanto o último émenos.

Para entender melhor o novo resultado, éimportante lembrar que as camadas de grafeno são empilhadas de maneiras diferentes nessas duas formas de grafite. Grafite hexagonal (a forma de carbono encontrada na grafite de la¡pis) écomposta de camadas de grafeno empilhadas ordenadamente umas sobre as outras. A forma romboanãdrica metaesta¡vel tem uma ordem de empilhamento ligeiramente diferente e essa ligeira diferença leva a uma mudança dra¡stica em seu espectro eletra´nico.

Estudos teóricos anteriores apontaram para a existaªncia de todos os tipos de física de muitos corpos nos estados desuperfÍcie da grafite romboanãdrica - incluindo ordenação magnanãtica de alta temperatura e supercondutividade. Essas previsaµes não puderam ser verificadas, no entanto, uma vez que as medições de transporte de elanãtrons no material eram completamente inexistentes atéagora.

A equipe de Manchester tem estudado filmes de grafite hexagonal por vários anos e desenvolveu tecnologias avana§adas para produzir amostras de alta qualidade. Uma de suas técnicas envolve o encapsulamento dos filmes com um isolante atomicamente plano, nitreto de boro hexagonal (hBN), que serve para preservar a alta qualidade eletra´nica nas heteroestruturas hBN / grafite hexagonal / hBN resultantes. Em seus novos experimentos com grafite romboanãdrica, os pesquisadores modificaram sua tecnologia para preservar a fra¡gil ordem de empilhamento dessa forma menos esta¡vel de grafite.

Os pesquisadores capturaram imagens de suas amostras, que continham até50 camadas de grafeno , usando espectroscopia Raman para confirmar que a ordem de empilhamento do material permaneceu intacta e que era de alta qualidade. Eles então mediram as propriedades de transporte eletra´nico de suas amostras da maneira tradicional - registrando a resistência do material a  medida que mudavam a temperatura e a intensidade de um campo magnético aplicado a ele.

A lacuna de energia também pode ser aberta nos estados superficiais da grafite romboanãdrica pela aplicação de um campo elanãtrico, explica o professor Mishchenko: "A abertura da lacuna no estado desuperfÍcie, que foi prevista teoricamente, étambém uma confirmação independente da natureza romboanãdrica das amostras, uma vez que tal fena´meno éproibido no grafite hexagonal. "

Na grafite romboanãdrica mais fina que 4 nm, um gap estãopresente mesmo sem a aplicação de um campo elanãtrico externo. Os pesquisadores dizem que ainda não tem certeza da natureza exata dessa abertura esponta¢nea de gap (que ocorre na "neutralidade de carga" - o ponto em que as densidades de elanãtrons e lacunas estãoequilibradas), mas estãoocupados trabalhando para responder a esta pergunta.

"A partir de nossos experimentos no regime de Hall qua¢ntico, vemos que a lacuna éde natureza Hall de spin qua¢ntico, mas não sabemos se a abertura de lacuna esponta¢nea na neutralidade de carga éda mesma origem", acrescenta o professor Mishchenko. "No nosso caso, essa abertura foi acompanhada por um comportamento histeranãtico da resistência do material em função dos campos elanãtricos ou magnanãticos aplicados. Essa histerese (em que a variação da resistência estãoatrasada em relação aos campos aplicados) implica que existem diferentes fases de gap eletra´nico separadas em doma­nios - e estes são ta­picos de materiais fortemente correlacionados. "

Uma investigação mais aprofundada da grafite romboanãdrica poderia lana§ar mais luz sobre a origem dos fena´menos de muitos corpos em materiais fortemente correlacionados, como compostos de fanãrmions pesados ​​e supercondutores de alta temperatura, para citar apenas dois exemplos.