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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 “twistronics”, que tem pesquisadores mudando drasticamente as propriedades de materiais 2D, como o grafeno, com mudanças sutis – tão pequenas quanto indo de 1,1° para 1,2° – em o ângulo entre as camadas empilhadas. Camadas retorcidas de grafeno, por exemplo, demonstraram se comportar de maneiras que folhas únicas não têm, inclusive agindo como ímãs, como supercondutores elétricos ou como o oposto de um supercondutor, isolantes, tudo devido a pequenas mudanças no ângulo de torção entre as folhas.
Em teoria, você pode discar qualquer propriedade girando um botão que altera o ângulo de torção. A realidade, no entanto, não é tão direta, 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 de camadas torcidas de grafeno e outros materiais 2D de maneira mais sistemática e reprodutível. Escrevendo em Ciênciaeles 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 tensão.
Os dispositivos de grafeno normalmente são montados a partir de flocos de grafeno com a espessura de um átomo, com apenas alguns micrômetros quadrados. O ângulo de torção resultante entre as folhas é fixo no lugar, e os flocos podem ser difíceis de colocar em camadas suavemente. “Imagine o grafeno como pedaços de filme plástico – quando você coloca dois pedaços juntos, você obtém pequenas rugas e bolhas aleatórias”, diz o pós-doutorando Bjarke Jessen, coautor do artigo. Essas bolhas e rugas são semelhantes a mudanças no ângulo de torção entre as folhas e a tensão física que se desenvolve entre elas e pode fazer com que o material entorte, dobre e aperte aleatoriamente. Todas essas variações podem gerar novos comportamentos, mas têm sido difíceis de controlar dentro e entre os 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 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° ao longo do comprimento do dispositivo, com tensão uniformemente distribuída por toda parte – sem mais bolhas ou rugas aleatórias para enfrentar. “Não precisamos mais fazer 10 dispositivos separados com 10 ângulos diferentes para ver o que acontece”, disse a pós-doutora e coautora Maëlle Kapfer. “E agora podemos controlar a tensão, que faltava completamente em dispositivos retorcidos anteriores.”
A equipe usou microscópios especiais de alta resolução para confirmar a uniformidade de seus dispositivos. Com essa informação espacial, eles desenvolveram um modelo mecânico que prevê ângulos de torção e valores de tensão simplesmente com base na forma da fita curva.
Este primeiro artigo foi focado na caracterização do comportamento e das propriedades de fitas de grafeno, bem como de outros materiais que podem ser diluídos em camadas únicas e empilhados uns sobre os outros. “Funcionou com todos os materiais 2D que tentamos 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 foram muito difíceis de estabilizar, disse Dean. Com aparelhos feitos com fitas, que contêm todos os ângulos entre 0° e 5°, a equipe consegue explorar com mais precisão as origens desse fenômeno, entre outros.
“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.
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