Físicos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts transformam um lápis em “ouro” eletrônico.

Isolamento de folha fina que pode ser ajustado para exibir três propriedades importantes.

Instituto de Tecnologia de Massachusetts Os físicos transformaram figurativamente o grafite, ou lápis, em ouro, isolando cinco flocos ultrafinos empilhados em um arranjo específico. O material resultante pode então ser ajustado para exibir três propriedades importantes nunca antes vistas na grafite natural.

“É como um balcão único”, diz Long Guo, professor assistente do Departamento de Física do MIT e líder da pesquisa publicada na edição de 5 de outubro da revista. Nanotecnologia da natureza. “A natureza tem muitas surpresas, neste caso nunca percebemos que todas essas coisas interessantes estão no grafite.

Além disso, “é muito raro encontrar materiais que possam apresentar tantas propriedades”, diz ele.

A ascensão da “Twistronics”

O grafite é feito de GrafenoÉ uma única camada de átomos de carbono dispostos em formas hexagonais que lembram uma estrutura em favo de mel. O grafeno, por sua vez, tem sido foco de intensas pesquisas desde que foi isolado pela primeira vez, há cerca de 20 anos. Há cerca de cinco anos, investigadores, incluindo uma equipa do MIT, descobriram que empilhar folhas individuais de grafeno e torcê-las num ligeiro ângulo entre si poderia conferir novas propriedades ao material, desde a supercondutividade ao magnetismo. Nasceu o campo da “twistronics”.

No trabalho atual, “descobrimos propriedades interessantes sem qualquer torção”, diz Gu, que também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais.

Uma demonstração artística da ligação de elétrons, ou da capacidade dos elétrons de se comunicarem entre si, o que pode ocorrer em um tipo especial de grafite (lápis). Fonte da imagem: Sampson Wilcox, Laboratório de Pesquisa Eletrônica do MIT

Ele e seus colegas descobriram que cinco camadas de grafeno dispostas em uma ordem específica permitem que os elétrons que se movem dentro do material se comuniquem entre si. Este fenômeno, conhecido como correlação eletrônica, “é a mágica que torna possíveis todas essas novas propriedades”, diz Joe.

Grafite em massa – e até mesmo folhas individuais de grafeno – são bons condutores elétricos, mas isso é tudo. O material isolado por Gu e seus colegas, que eles chamam de grafeno empilhado de cinco camadas, torna-se muito maior do que a soma de suas partes.

O novo microscópio e suas descobertas

A chave para isolar a matéria foi A Novo microscópio Joe, do MIT, em 2021, pode determinar uma variedade de propriedades importantes da matéria de forma rápida e relativamente barata. Escala nanométrica. O grafeno empilhado com a camada pentaédrica tem apenas alguns bilionésimos de metro de espessura.

Cientistas, incluindo Gu, procuravam grafeno multicamadas empilhado em um arranjo muito preciso, conhecido como empilhamento rômbico. “Existem mais de 10 ordens de empilhamento possíveis quando você desce para cinco camadas, “diz Joe.” O romboédrico é apenas um deles. “O microscópio que Joe fez, conhecido como Microscopia Óptica de Campo Próximo de Varredura do tipo Dispersão, ou s-SNOM, permitiu aos cientistas identificar e isolar apenas as cinco camadas. Na ordem de empilhamento rômbico eles estavam interessados.

Fenômenos físicos multifacetados

A partir daí, a equipe anexou eletrodos a um pequeno sanduíche feito de “pão” de nitreto de boro que protege a fina “carne” do grafeno pentaédrico empilhado. Os eletrodos permitiram sintonizar o sistema em diferentes tensões ou quantidades. O resultado: Eles descobriram que três fenômenos diferentes aparecem dependendo do número de elétrons que inundam o sistema.

O pós-doutorado do MIT, Zhengguang Lu, o professor assistente Long Ju e o estudante de pós-graduação Tonghang Han estão no laboratório. Os três são autores de um artigo na revista Nature Nanotechnology sobre um tipo especial de grafite (grafite de lápis), junto com outros sete. Crédito: GoLab

“Descobrimos que a matéria pode ser isolante, magnética ou topológica”, diz Gu. Este último está relacionado, até certo ponto, tanto com condutores quanto com isoladores. Joe explica que um material topológico permite o movimento desimpedido dos elétrons ao redor das bordas do material, mas não através do meio. Os elétrons se movem em uma direção ao longo de uma “rodovia” na borda do material, separada por um meio que forma o centro do material. Portanto, a borda de um material topológico é um condutor perfeito, enquanto o centro é um isolante.

“Nosso trabalho estabelece o grafeno multicamadas empilhado rômbico como uma plataforma altamente ajustável para estudar essas novas possibilidades para a física topológica e fortemente acoplada”, concluem Guo e seus coautores em Nanotecnologia da natureza.

Referência: “Dielétricos coerentes e dielétricos Chern em grafeno empilhado de cinco camadas” por Tonghang Han, Zhengwang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park e Long Ju, 5 de outubro 2023, Nanotecnologia da natureza.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Além de Gu, os autores do artigo são Tonghang Han e Zhenguang Lu. Han é estudante de pós-graduação no Departamento de Física. Lu é pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa de Materiais. Eles são os primeiros autores do artigo.

Outros autores são Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang e Hongkun Park da Universidade de Harvard; Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão, e Tianyi Han, do Instituto de Tecnologia de Física de Massachusetts.

Este trabalho foi apoiado por uma bolsa Sloan; Fundação Nacional de Ciência dos EUA; Gabinete do Subsecretário de Defesa para Pesquisa e Engenharia; Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência KAKENHI; A principal iniciativa de pesquisa internacional do mundo no Japão; e o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.