Regras de ouro para a construção de blocos atômicos

Os padrões moiré são formados quando duas estruturas periódicas idênticas são sobrepostas com um ângulo de torção relativo entre elas ou duas estruturas periódicas diferentes, mas sobrepostas com ou sem ângulo de torção. O ângulo de torção é o ângulo entre as orientações cristalográficas das duas estruturas. Por exemplo, quando o grafeno e o nitreto de boro hexagonal (hBN), que são materiais em camadas, são sobrepostos, os átomos nas duas estruturas não se alinham perfeitamente, criando um padrão de franjas de interferência, chamado padrão moiré. Isso resulta em uma reconstrução eletrônica. O padrão moiré no grafeno e no hBN tem sido usado para criar novas estruturas com propriedades exóticas, como correntes topológicas e estados borboleta de Hofstadter. Quando dois padrões moiré são empilhados juntos, uma nova estrutura chamada rede supermoiré é criada. Em comparação com os materiais moiré simples tradicionais, esta estrutura supermoiré expande a gama de propriedades ajustáveis ​​do material, permitindo o uso potencial em uma variedade muito maior de aplicações.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Ariando do Departamento de Física da NUS desenvolveu uma técnica e realizou com sucesso o alinhamento controlado da rede supermoiré hBN/grafeno/hBN. Esta técnica permite a disposição precisa de dois padrões moiré, um sobre o outro. Enquanto isso, os pesquisadores também formularam a “Regra de Ouro de Três” para orientar o uso de sua técnica para a criação de redes supermoiré.

As descobertas foram publicadas na revista Comunicações da Natureza.

Existem três desafios principais na criação de um supermoire de grafeno – rede. Primeiro, o alinhamento óptico tradicional depende fortemente das bordas retas do grafeno, mas é demorado e trabalhoso encontrar um floco de grafeno adequado; Em segundo lugar, mesmo que a amostra de grafeno de arestas retas seja usada, há uma baixa probabilidade de 1/8 de obter uma rede supermoiré duplamente alinhada, devido à incerteza de sua quiralidade de arestas e simetria da rede. Terceiro, embora a quiralidade da borda e a simetria da rede possam ser identificadas, os erros de alinhamento são frequentemente grandes (maiores que 0,5 graus), pois é fisicamente desafiador alinhar dois materiais de rede diferentes.

Dr. Junxiong Hu, principal autor do artigo de pesquisa, disse: “Nossa técnica ajuda a resolver um problema da vida real. Muitos pesquisadores me disseram que geralmente levam quase uma semana para fazer uma amostra. Com nossa técnica, eles não podem apenas encurtará muito o tempo de fabricação, mas também melhorará muito a precisão da amostra.”

Os pesquisadores usam uma “técnica de rotação de 30°” no início para controlar o alinhamento das camadas superiores de hBN e grafeno. Em seguida, eles usam uma “técnica de inversão” para controlar o alinhamento das camadas superior e inferior do hBN. Com base nesses dois métodos, eles podem controlar a simetria da rede e ajustar a estrutura de bandas da rede supermoiré do grafeno. Eles também mostraram que a borda vizinha de grafite pode atuar como guia para o alinhamento do empilhamento. Neste estudo, eles fabricaram 20 amostras moiré com precisão superior a 0,2 graus.

O professor Ariando disse: “Estabelecemos três regras de ouro para nossa técnica que podem ajudar muitos pesquisadores na comunidade de materiais bidimensionais. Muitos cientistas que trabalham em outros sistemas fortemente correlacionados, como grafeno bicamada com torção de ângulo mágico ou grafeno multicamada de empilhamento ABC também são espera-se que se beneficie do nosso trabalho. Através desta melhoria técnica, espero que acelere o desenvolvimento da próxima geração de matéria quântica moiré.”

Atualmente, a equipe de pesquisa está usando esta técnica para fabricar a rede supermoiré de grafeno de camada única e explorar as propriedades únicas deste sistema de material. Além disso, estão também a alargar a técnica actual a outros sistemas materiais, para descobrir outros novos fenómenos quânticos.