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Uma descoberta há seis anos pegou o mundo da física da matéria condensada de surpresa: carbono ultrafino empilhado em duas camadas ligeiramente tortas se tornou um supercondutor, e mudar o ângulo de torção entre as camadas poderia alternar suas propriedades elétricas. O artigo histórico de 2018 descrevendo “superredes de grafeno de ângulo mágico” lançou um novo campo chamado “twistrônica”, e o primeiro autor foi o então aluno de pós-graduação do MIT e recente bolsista júnior de Harvard, Yuan Cao.
Junto com os físicos de Harvard Amir Yacoby, Eric Mazur e outros, Cao e colegas desenvolveram esse trabalho fundamental, abrindo caminho para mais ciência twistrônica ao inventar uma maneira mais fácil de torcer e estudar muitos tipos de materiais.
Um novo artigo em Natureza descreve a máquina do tamanho de uma unha da equipe que pode torcer materiais finos à vontade, substituindo a necessidade de fabricar dispositivos torcidos um por um. Materiais finos, 2D, com propriedades que podem ser estudadas e manipuladas facilmente têm imensas implicações para transistores de alto desempenho, dispositivos ópticos como células solares e computadores quânticos, entre outras coisas.
“Este desenvolvimento torna a torção tão fácil quanto controlar a densidade de elétrons de materiais 2D”, disse Yacoby, professor de física e física aplicada de Harvard. “Controlar a densidade tem sido o botão primário para descobrir novas fases da matéria em matéria de baixa dimensão, e agora, podemos controlar tanto a densidade quanto o ângulo de torção, abrindo infinitas possibilidades para descoberta.”
Cao fez o grafeno bicamada torcido pela primeira vez como um estudante de pós-graduação no laboratório de Pablo Jarillo-Herrero do MIT. Por mais emocionante que tenha sido, a conquista foi temperada por desafios com a replicação da torção real.
Na época, cada dispositivo torcido era difícil de produzir e, como resultado, único e demorado, explicou Cao. Para fazer ciência com esses dispositivos, eles precisavam de dezenas ou até centenas deles. Eles se perguntavam se poderiam fazer “um dispositivo para torcer todos eles”, disse Cao — uma micromáquina que pudesse torcer duas camadas de material à vontade, eliminando a necessidade de centenas de amostras únicas. Eles chamam seu novo dispositivo de plataforma de atuação genérica baseada em MEMS (sistema microeletromecânico) para materiais 2D, ou MEGA2D para abreviar.
Os laboratórios Yacoby e Mazur colaboraram no design deste novo kit de ferramentas, que pode ser generalizado para grafeno e outros materiais.
“Ao ter esse novo ‘botão’ por meio de nossa tecnologia MEGA2D, imaginamos que muitos quebra-cabeças subjacentes em grafeno torcido e outros materiais poderiam ser resolvidos rapidamente”, disse Cao, agora professor assistente na University of California Berkeley. “Certamente também trará outras novas descobertas ao longo do caminho.”
No artigo, os pesquisadores demonstraram a utilidade de seu dispositivo com dois pedaços de nitreto de boro hexagonal, um parente próximo do grafeno. Eles foram capazes de estudar as propriedades ópticas do dispositivo de bicamada, encontrando evidências de quasipartículas com propriedades topológicas cobiçadas.
A facilidade do novo sistema abre vários caminhos científicos, por exemplo, empregando twistrônica hexagonal de nitreto de boro para produzir fontes de luz que podem ser usadas para comunicação óptica de baixa perda.
“Esperamos que nossa abordagem seja adotada por muitos outros pesquisadores neste campo próspero, e que todos possam se beneficiar desses novos recursos”, disse Cao.
O primeiro autor do artigo é o especialista em nanociência e óptica Haoning Tang, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Mazur e bolsista da Harvard Quantum Initiative, que observou que o desenvolvimento da tecnologia MEGA2D foi um longo processo de tentativa e erro.
“Não sabíamos muito sobre como controlar as interfaces de materiais 2D em tempo real, e os métodos existentes simplesmente não estavam dando conta”, disse ela. “Depois de passar inúmeras horas na sala limpa e refinar o design do MEMS — apesar de muitas tentativas fracassadas — finalmente encontramos a solução funcional após cerca de um ano de experimentos.” Toda a nanofabricação ocorreu no Harvard’s Center for Nanoscale Systems, onde a equipe forneceu suporte técnico inestimável, acrescentou Tang.
“A nanofabricação de um dispositivo que combina tecnologia MEMS com uma estrutura de bicamada é um verdadeiro tour de force”, disse Mazur, o Professor Balkanski de Física e Física Aplicada. “Ser capaz de ajustar a resposta não linear do dispositivo resultante abre a porta para uma classe totalmente nova de dispositivos em óptica e fotônica.”
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