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Pesquisadores do National Graphene Institute (NGI) da Universidade de Manchester revisitaram um dos materiais mais antigos da Terra – grafite, e descobriram uma nova física que iludiu o campo por décadas.
Apesar de ser feito inteiramente de camadas de átomos de carbono dispostos em um padrão de favo de mel, o grafite natural não é tão simples quanto se pode pensar. A maneira como essas camadas atômicas se sobrepõem pode resultar em diferentes tipos de grafite, caracterizados por diferentes ordens de empilhamento de planos atômicos consecutivos. A maioria do grafite de aparência natural tem empilhamento hexagonal, tornando-o 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 aos chamados “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 as propriedades da estrutura resultante em grande medida, devido ao padrão moiré formado em sua interface) são os dois campos principais na pesquisa de materiais 2D. Agora, a equipe de pesquisadores do NGI, liderada pelo Prof. Artem Mishchenko, emprega o padrão moiré para sintonizar os estados da superfície do grafite, reminiscentes de um caleidoscópio com imagens em constante mudança conforme a lente gira, revelando a extraordinária nova física por trás do grafite.
Em particular, o Prof. Mishchenko expandiu a técnica twistronics para grafite tridimensional e descobriu que o potencial moiré não apenas modifica os estados da superfície do grafite, mas também afeta o espectro eletrônico de todo o volume 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 das vinte camas de edredom. No caso do grafite, o potencial moiré em uma interface alinhada pode penetrar em mais de 40 camadas grafíticas atômicas.
Esta pesquisa, publicada na última edição da Natureza, estudou os efeitos de padrões moiré em grafite hexagonal gerado por alinhamento cristalográfico com nitreto de boro hexagonal. O resultado mais fascinante é a observação de uma mistura 2,5-dimensional dos estados de superfície e volume no 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 se interessam por esse material ‘velho’. E agora, mesmo com nosso conhecimento acumulado sobre grafite de diferentes ordens de empilhamento e alinhamento nos últimos anos, ainda achamos 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 o controle de propriedades eletrônicas por twistronics não apenas em materiais 2D, mas também em 3D”.
O professor Vladimir Fal’ko, diretor do National Graphene Institute 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 de física quântica – quantização de Landau em fortes campos magnéticos e confinamento quântico, levando a outro novo tipo de efeito quântico.”
A mesma equipe está agora realizando a pesquisa de grafite para obter uma melhor compreensão deste material surpreendentemente interessante.
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