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Uma folha de carbono com a espessura de um único átomo, conhecida como grafeno, tem propriedades notáveis por si só, mas as coisas podem ficar ainda mais interessantes quando você empilha várias folhas. Quando duas ou mais folhas sobrepostas de grafeno estão visivelmente desalinhadas – torcidas em certos ângulos uma em relação à outra – elas assumem uma infinidade de identidades exóticas. Dependendo do ângulo de torção, esses materiais, conhecidos como matéria quântica moiré, podem gerar repentinamente seus próprios campos magnéticos, tornam-se supercondutores com resistência elétrica zero ou, inversamente, transformam-se em isolantes perfeitos.
Joseph A. Stroscio e os seus colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), juntamente com uma equipa internacional de colaboradores, desenvolveram uma “régua quântica” para medir e explorar as estranhas propriedades destes materiais retorcidos. O trabalho também pode levar a um novo padrão miniaturizado para resistência elétrica que poderia calibrar dispositivos eletrônicos diretamente no chão de fábrica, eliminando a necessidade de enviá-los para um laboratório de padrões externo.
O colaborador Fereshte Ghahari, físico da Universidade George Mason em Fairfax, Virgínia, pegou duas camadas de grafeno (conhecido como grafeno bicamada) de cerca de 20 micrômetros de diâmetro e torceu-as em relação a outras duas camadas para criar um dispositivo de matéria quântica moiré. Ghahari fez o dispositivo usando as instalações de nanofabricação do Centro de Ciência e Tecnologia em Nanoescala do NIST. Os pesquisadores do NIST, Marlou Slot e Yulia Maximenko, então resfriaram este dispositivo de material torcido a um centésimo de grau acima do zero absoluto, reduzindo movimentos aleatórios de átomos e elétrons e aumentando a capacidade de interação dos elétrons no material. Depois de atingir temperaturas ultrabaixas, eles examinaram como os níveis de energia dos elétrons nas camadas de grafeno mudavam quando variavam a força de um forte campo magnético externo. Medir e manipular os níveis de energia dos elétrons é fundamental para projetar e fabricar dispositivos semicondutores.
Para medir os níveis de energia, a equipe usou um microscópio versátil de varredura por tunelamento que Stroscio projetou e construiu no NIST. Quando os pesquisadores aplicaram uma voltagem às bicamadas de grafeno no campo magnético, o microscópio registrou a pequena corrente dos elétrons que “sejam um túnel” do material para a ponta da sonda do microscópio.
Num campo magnético, os elétrons se movem em trajetórias circulares. Normalmente, as órbitas circulares dos elétrons em materiais sólidos têm uma relação especial com um campo magnético aplicado: A área delimitada por cada órbita circular, multiplicada pelo campo aplicado, só pode assumir um conjunto de valores fixos e discretos, devido ao natureza quântica dos elétrons. Para manter esse produto fixo, se o campo magnético for dividido pela metade, a área delimitada por um elétron em órbita deverá dobrar. A diferença de energia entre níveis de energia sucessivos que seguem esse padrão pode ser usada como marcas em uma régua para medir as propriedades eletrônicas e magnéticas do material. Qualquer desvio sutil desse padrão representaria uma nova régua quântica que pode refletir as propriedades magnéticas orbitais do material moiré quântico específico que os pesquisadores estão estudando.
Na verdade, quando os investigadores do NIST variaram o campo magnético aplicado às bicamadas moiré de grafeno, encontraram evidências de uma nova régua quântica em jogo. A área delimitada pela órbita circular dos elétrons multiplicada pelo campo magnético aplicado não era mais igual a um valor fixo. Em vez disso, o produto desses dois números mudou em uma quantidade dependente da magnetização das bicamadas.
Esse desvio se traduziu em um conjunto de diferentes marcas para os níveis de energia dos elétrons. As descobertas prometem lançar uma nova luz sobre como os elétrons confinados em folhas torcidas de grafeno dão origem a novas propriedades magnéticas.
“Usando a nova régua quântica para estudar como as órbitas circulares variam com o campo magnético, esperamos revelar as propriedades magnéticas sutis desses materiais quânticos moiré”, disse Stroscio.
Nos materiais quânticos moiré, os elétrons têm uma gama de energias possíveis – altas e baixas, em forma de caixa de ovos – que são determinadas pelo campo elétrico dos materiais. Os elétrons estão concentrados nos estados de energia mais baixos, ou vales, da caixa. O grande espaçamento entre os vales nas bicamadas, maior que o espaçamento atômico em qualquer camada única de grafeno ou múltiplas camadas que não são torcidas, é responsável por algumas das propriedades magnéticas incomuns que a equipe descobriu, disse o físico teórico do NIST, Paul Haney.
Os pesquisadores, incluindo colegas da Universidade de Maryland em College Park e do Joint Quantum Institute, uma parceria de pesquisa entre o NIST e a Universidade de Maryland, descreveram seu trabalho na revista Ciência.
Como as propriedades da matéria quântica moiré podem ser escolhidas selecionando um ângulo de torção específico e um número de camadas atomicamente finas, as novas medições prometem fornecer uma compreensão mais profunda de como os cientistas podem adaptar e otimizar as propriedades magnéticas e eletrônicas dos materiais quânticos para um hospedeiro. de aplicações em microeletrônica e áreas afins. Por exemplo, os supercondutores ultrafinos já são conhecidos por serem detectores extremamente sensíveis de fótons únicos, e os supercondutores moiré quânticos estão entre os mais finos.
A equipe do NIST também tem interesse em outra aplicação: nas condições certas, a matéria quântica moiré pode fornecer um padrão novo e mais fácil de usar para resistência elétrica.
A presente norma baseia-se nos valores discretos de resistência que um material assume quando um forte campo magnético é aplicado aos elétrons em uma camada bidimensional. Este fenômeno, conhecido como efeito Hall quântico, origina-se dos mesmos níveis de energia quantizada dos elétrons nas órbitas circulares discutidas acima. Os valores discretos de resistência podem ser usados para calibrar a resistência em vários dispositivos elétricos. Mas como é necessário um forte campo magnético, as calibrações só podem ser realizadas em instalações de metrologia como o NIST.
Se os pesquisadores pudessem manipular a matéria moiré quântica para que ela tivesse uma magnetização líquida mesmo na ausência de um campo magnético externo aplicado, disse Stroscio, então ela poderia ser potencialmente usada para criar uma nova versão portátil do padrão mais preciso de resistência, conhecido como o padrão de resistência Hall quântica anômala. As calibrações de dispositivos eletrônicos poderiam ser realizadas no local de fabricação, economizando potencialmente milhões de dólares.
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