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Em artigo publicado em Natureza esta semana (13 de abril de 2023), pesquisadores da Universidade de Manchester relatam magnetorresistência recorde que aparece no grafeno sob condições ambientais.
Materiais que mudam fortemente sua resistividade sob campos magnéticos são muito procurados para várias aplicações e, por exemplo, todo carro e todo computador contém muitos sensores magnéticos minúsculos. Tais materiais são raros, e a maioria dos metais e semicondutores alteram sua resistividade elétrica apenas por uma pequena fração de um por cento à temperatura ambiente e em campos magnéticos praticamente viáveis (normalmente, em menos de um milionésimo de 1%). Para observar uma forte resposta de magnetorresistência, os pesquisadores geralmente resfriam os materiais a temperaturas de hélio líquido, de modo que os elétrons internos se espalhem menos e possam seguir as trajetórias do ciclotron.
Agora, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Sir Andre Geim descobriu que o bom e velho grafeno, que parecia ter sido estudado em todos os detalhes nas últimas duas décadas, exibe uma resposta notavelmente forte, atingindo acima de 100% em campos magnéticos de ímãs permanentes padrão (de cerca de 1.000 Gauss). Esta é uma magnetoresistividade recorde entre todos os materiais conhecidos.
Falando sobre esta última descoberta de grafeno, Sir Andre Geim disse: “As pessoas que trabalham com grafeno como eu sempre sentiram que esta mina de ouro da física deveria ter sido esgotada há muito tempo. O material continuamente prova que estamos errados ao encontrar mais uma encarnação. Hoje tenho que admitir novamente que o grafeno está morto, vida longa ao grafeno.”
Para conseguir isso, os pesquisadores usaram grafeno de alta qualidade e o ajustaram ao seu estado virgem intrínseco, onde havia apenas portadores de carga excitados pela temperatura. Isso criou um plasma de “férmions de Dirac” em movimento rápido que exibiu uma mobilidade surpreendentemente alta, apesar da dispersão frequente. Tanto a alta mobilidade quanto a neutralidade deste plasma Dirac são componentes cruciais para a magnetorresistência gigante relatada.
“Nos últimos 10 anos, a qualidade eletrônica dos dispositivos de grafeno melhorou dramaticamente, e todos parecem se concentrar em encontrar novos fenômenos em baixas temperaturas de hélio líquido, ignorando o que acontece sob condições ambientais. Isso talvez não seja tão surpreendente porque quanto mais frio seu amostra, mais interessante seu comportamento geralmente se torna. Decidimos aumentar o aquecimento e, inesperadamente, uma grande quantidade de fenômenos inesperados apareceu”, diz o Dr. Alexey Berdyugin, os autores correspondentes do artigo.
Além da magnetoresistividade recorde, os pesquisadores também descobriram que, em temperaturas elevadas, o grafeno neutro se torna o chamado “metal estranho”. Este é o nome dado a materiais onde a dispersão de elétrons se torna rápida, sendo determinada apenas pelo princípio da incerteza de Heisenberg. O comportamento de metais estranhos é pouco compreendido e permanece um mistério atualmente sob investigação em todo o mundo.
O trabalho de Manchester adiciona um pouco mais de mistério ao campo, mostrando que o grafeno exibe uma magnetorresistência linear gigante em campos acima de alguns Tesla, que é fracamente dependente da temperatura. Esta magnetorresistência de alto campo é novamente recorde.
O fenômeno da magnetorresistência linear permaneceu um enigma por mais de um século desde que foi observado pela primeira vez. O trabalho atual de Manchester fornece pistas importantes sobre as origens do comportamento estranho do metal e da magnetorresistência linear. Talvez agora os mistérios possam ser finalmente resolvidos graças ao grafeno, pois representa um sistema eletrônico limpo, bem caracterizado e relativamente simples.
“O grafeno não dopado de alta qualidade à temperatura ambiente oferece uma oportunidade de explorar um regime inteiramente novo que, em princípio, poderia ser descoberto até uma década atrás, mas de alguma forma foi ignorado por todos. Planejamos estudar esse regime de metal estranho e, certamente, mais de resultados, fenômenos e aplicações interessantes se seguirão”, acrescenta o Dr. Leonid Ponomarenko, um dos principais Natureza autores de papel.
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