A primeira micromáquina do mundo torce materiais 2D à vontade

Há apenas alguns anos, pesquisadores descobriram que mudar o ângulo entre duas camadas de grafeno, uma folha de carbono com a espessura de um átomo, também mudava as propriedades eletrônicas e ópticas do material. Eles então aprenderam que uma “torção” de 1,1 graus — apelidada de ângulo “mágico” — poderia transformar esse material metálico em um isolante ou supercondutor, uma descoberta que acendeu o entusiasmo sobre um possível caminho para novas tecnologias quânticas.

Para estudar a física subjacente a esse fenômeno, pesquisadores de “twistrônica” tiveram que produzir dezenas a centenas de configurações diferentes das estruturas de grafeno torcidas — um processo caro e trabalhoso. Mas uma equipe de pesquisadores liderada por Yuan Cao, o principal descobridor do ângulo mágico em 2018 e agora professor assistente de engenharia elétrica e ciências da computação na UC Berkeley, criou um dispositivo que pode torcer uma única estrutura de inúmeras maneiras.

Em um estudo publicado em Naturezaos pesquisadores demonstraram a primeira micromáquina do mundo que pode torcer materiais 2D à vontade.

A plataforma do tamanho de uma unha, chamada MEGA2D, usa sistemas microeletromecânicos (MEMS) para conduzir manipulação controlada por voltagem de materiais 2D — que têm apenas nanômetros de espessura — com flexibilidade e precisão sem precedentes.

“Nosso trabalho amplia as capacidades das tecnologias existentes na manipulação de materiais quânticos de baixa dimensão”, disse Cao. “Ele também abre caminho para novas estruturas híbridas 2D e 3D, com implicações promissoras na física da matéria condensada, óptica quântica e campos relacionados.”

Uma única estrutura, inúmeras configurações

Usando a tecnologia ultra-ajustável MEGA2D, Cao e sua equipe demonstraram propriedades múltiplas e exóticas em uma única estrutura feita de dois pedaços de nitreto de boro hexagonal (um parente próximo do grafeno). Além disso, eles precisaram de apenas um punhado de amostras para estudar as propriedades ópticas não lineares da estrutura e medir a força de van der Waals.

Uma descoberta, no entanto, surpreendeu os pesquisadores. Eles notaram “redemoinhos” nas propriedades ópticas não lineares do nitreto de boro hexagonal quando torcido pelo MEGA2D.

“Os redemoinhos lembram ‘meio-skyrmions’ — um tipo de quasipartícula topológica encontrada em alguns materiais magnéticos, mas nunca imaginada em sistemas ópticos não lineares”, disse Haoning Tang, principal autor do artigo e pós-doutorado na Universidade de Harvard.

“Essas propriedades ópticas não lineares não foram discutidas antes e não teriam sido encontradas sem a plataforma de ajuste ativa MEGA2D.”

Torcendo e afinando

De acordo com os pesquisadores, a plataforma MEGA2D tem várias aplicações potenciais além da twistrônica, incluindo o uso como uma fonte de luz ajustável para lâmpadas clássicas ou padrão, bem como para versões quânticas. Estas últimas são fontes de luz especiais que usam óptica não linear para converter luz azul em luz vermelha e são úteis para computação quântica usando fótons.

“Tradicionalmente, essas fontes de luz quântica têm polarizações fixas, a maneira como as ondas de luz oscilam no espaço”, disse Tang.

“Com nosso dispositivo MEGA2D, a fonte de luz emite um feixe com polarização ajustável, e o intervalo de ajuste é muito amplo. Um destaque é que ele pode gerar diretamente a chamada luz polarizada circular, que é a luz que oscila de forma rotativa e carrega momento angular.”

Por enquanto, a equipe acredita que o verdadeiro poder da tecnologia MEGA2D está na pesquisa fundamental. Cao ressalta que a humanidade ainda é limitada de algumas maneiras pelo que podemos ver e entender sobre a natureza.

“Ao ter esse novo ‘botão’ por meio de nossa tecnologia MEGA2D, imaginamos que muitos quebra-cabeças subjacentes em grafeno torcido e outros materiais de van der Waals poderiam ser resolvidos facilmente”, disse Cao. “Isso certamente também trará outras novas descobertas ao longo do caminho.”

De acordo com Cao, persistência e colaboração foram essenciais para o desenvolvimento bem-sucedido da tecnologia MEGA2D. Tang é amplamente creditado por projetar a plataforma MEGA e por concretizar a visão de usar a tecnologia MEMS para controlar interfaces 2D em tempo real.

“Este é realmente um trabalho em equipe que se beneficiou substancialmente de uma experiência mista de física, engenharia e muita experimentação e diversão”, disse Cao.