Físicos controlam propriedades eletrônicas de cristais moiré

Se você torna um material cada vez mais fino, em certo ponto ele passa por uma transformação aparentemente milagrosa: um material bidimensional que consiste em apenas uma ou duas camadas de moléculas às vezes tem propriedades completamente diferentes do mesmo material quando é mais espesso.

Uma equipe de pesquisa liderada pela física Prof. Ursula Wurstbauer da Universidade de Münster está investigando como as propriedades de cristais bidimensionais podem ser controladas para que se comportem como um isolante, um condutor elétrico, um supercondutor ou um ferromagneto, por exemplo. Para fazer isso, os cientistas utilizaram as interações entre os portadores de carga (elétrons) e a chamada paisagem energética dos cristais.

Agora, pela primeira vez, a equipe gerou e demonstrou quantitativamente excitações coletivas dos portadores de carga dentro de diferentes paisagens energéticas. O estudo, que foi publicado em Cartas de revisão físicaavança nossa compreensão das características eletrônicas das estruturas cristalinas e revela maneiras de influenciá-las.

Para obter as diferentes propriedades, os cientistas colocaram duas camadas de um cristal bidimensional uma sobre a outra e as torceram levemente uma contra a outra. Essa torção cria padrões geométricos, os chamados padrões moiré — semelhantes a duas camadas de tecido fino de cortina colocadas uma sobre a outra.

Esses padrões caracterizam a paisagem energética e forçam os elétrons a se moverem muito mais lentamente. Essas mudanças resultam em elétrons interagindo intensamente uns com os outros, o que pode levar ao chamado comportamento fortemente correlacionado.

“Os elétrons ‘sentem e veem’ uns aos outros, e acontece que um sítio de rede moiré na vizinhança de um elétron não pode ser ocupado ou só pode ser ocupado com uma alta entrada de energia devido à repulsão de acordo com a lei de Coulomb”, explica Wurstbauer. “As correlações são formadas dependendo do padrão e do número de elétrons.”

Ela usa a dança “selvagem” em uma discoteca como uma ilustração do comportamento diferente dos elétrons em comparação aos padrões de dança ordenados da dança padrão. “A maneira como os elétrons ‘dançam’ ou podem se mover nos padrões moiré depende fortemente do padrão, do número de portadores de carga e da paisagem energética resultante.”

As propriedades desses sistemas materiais não são interessantes apenas na pesquisa básica, enfatiza Wurstbauer. “Eles podem oferecer possibilidades de aplicação inovadoras na tecnologia quântica ou para a realização dos chamados componentes e circuitos neuromórficos.”

A equipe, que incluía cientistas da Universidade de Hamburgo, da Universidade RWTH Aachen e do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo, bem como o grupo de pesquisa de Wurstbauer, combinou o trabalho experimental com análises teóricas.

Eles prepararam diferentes cristais bidimensionais (grafeno, disseleneto de molibdênio e disseleneto de tungstênio) e analisaram as amostras usando métodos de espectroscopia óptica em temperaturas criogênicas (“espectroscopia de espalhamento de luz inelástica ressonante”).