Adicionar um campo magnético alternado a camadas de grafeno torcido cria propriedades ainda mais exóticas

Campos magnéticos podem criar faixas planas em camadas de grafeno torcidas para criar um novo cenário para a física exótica, mostraram físicos do RIKEN.

As propriedades exóticas do grafeno — uma única camada de átomos de carbono em uma rede hexagonal — estão agora bem estabelecidas. Os elétrons se movem efetivamente através do grafeno como se não tivessem massa. Esta é uma perspectiva empolgante para a criação de dispositivos eletrônicos com funcionalidades além daquelas do silício.

Mas as coisas ficam ainda mais estranhas quando duas ou mais camadas de grafeno são combinadas.

Sempre que duas folhas com um padrão repetitivo são colocadas uma sobre a outra, um padrão muito maior emerge quando uma folha é girada. Duas camadas de grafeno também exibem esse chamado padrão moiré.

Isso leva a uma mudança dramática nas propriedades. Por exemplo, em ângulos torcidos específicos, ao ajustar o número de elétrons, o grafeno bicamada pode exibir comportamentos de um isolante correlacionado, bem como supercondutividade.

Agora, Ching-Kai Chiu e Congcong Le, ambos do RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS), e colaboradores mostraram que o grafeno de bicamada torcida pode se tornar um playground ainda mais rico para a física exótica usando um campo magnético espacialmente variável. Seu estudo foi publicado em Cartas de revisão física.

A estrutura de banda única do grafeno dá origem às suas propriedades eletrônicas especiais. “O grafeno é conhecido por ter uma estrutura de banda com uma relação linear entre a energia e o momento de um elétron em certos pontos”, explica Chiu.

Ter duas camadas de grafeno torcidas em um ângulo altera essas bandas. “No grafeno bicamada torcido, em certos ângulos de torção ‘mágicos’, essas bandas evoluem para bandas planas porque o acoplamento intercamada entre as camadas é ajustado para o ponto certo”, diz Chiu.

Nessas bandas planas, a energia cinética dos elétrons é minimizada, então as interações entre elétrons se tornam a força dominante. Interações elétron-elétron intensas levam a numerosos fenômenos eletrônicos fortemente correlacionados, como a supercondutividade não convencional.

“A descoberta de elétrons fortemente correlacionados em dispositivos de grafeno bicamada torcida em ângulo mágico chocou e entusiasmou a comunidade da física”, observa Le.

Essas bandas planas são duplamente degeneradas: ou seja, dois estados quânticos diferentes têm a mesma energia. Chiu e a equipe agora mostraram matematicamente que a introdução de um campo magnético espacialmente alternado dá origem a ângulos mágicos adicionais e bandas planas que são quadruplamente (quatro vezes) degeneradas.

“Essa degeneração mais alta poderia potencialmente levar a fenômenos ainda mais correlacionados”, diz Le. “E a fase magnética oferece um novo grau adicional de liberdade para adaptar a estrutura da banda eletrônica.”

A busca continua para encontrar outros materiais que exibam esses fenômenos. “Vamos procurar sistematicamente por novas plataformas que hospedem bandas planas”, diz Chiu.