Materiais ultrafinos feitos de uma única camada de átomos atraíram a atenção dos cientistas desde a descoberta do primeiro desses materiais – o grafeno – há cerca de 17 anos. Entre outros avanços desde então, pesquisadores, incluindo aqueles de um laboratório pioneiro do MIT, descobriram que empilhar folhas individuais de materiais 2D, e às vezes torcê-las em um pequeno ângulo umas com as outras, pode dar a elas novas propriedades, da supercondutividade ao magnetismo.
Agora, físicos do MIT do mesmo laboratório e colegas fizeram exatamente isso com nitreto de boro, conhecido como “grafeno branco”, em parte porque tem uma estrutura atômica semelhante à de seu famoso primo. A equipe mostrou que, quando duas folhas únicas de nitreto de boro são empilhadas paralelamente uma à outra, o material se torna ferroelétrico, no qual cargas positivas e negativas no material seguem espontaneamente para lados ou pólos diferentes. Após a aplicação de um campo elétrico externo, essas cargas trocam de lado, invertendo a polarização. É importante ressaltar que tudo isso acontece em temperatura ambiente.
O novo material, que funciona por meio de um mecanismo completamente diferente dos materiais ferroelétricos existentes, pode ter muitas aplicações.
“Grandes variedades de propriedades físicas já foram descobertas em vários materiais 2D. Agora podemos facilmente empilhar o nitreto de boro ferroelétrico com outras famílias de materiais para gerar propriedades emergentes e novas funcionalidades”, diz Pablo Jarillo-Herrero, o professor Cecil e Ida Green de Física e líder do trabalho, que foi relatado na revista Science. Jarillo-Herrero também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT.
Além de Jarillo-Herrero, outros autores do artigo são Kenji Yasuda, um pós-doutorado do MIT; Xirui Wang, um estudante de pós-graduação em física do MIT, e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.
Aplicações potenciais
Entre as aplicações potenciais do novo material ferroelétrico ultrafino, “uma possibilidade excitante é usá-lo para armazenamento de memória mais densa”, disse Yasuda, principal autor do artigo da Science. Isso porque a mudança da polarização do material pode ser usada para codificar uns e zeros – informação digital – e essa informação será estável ao longo do tempo. Ele não mudará a menos que um campo elétrico seja aplicado. No artigo da Science, a equipe relata um experimento de prova de princípio mostrando essa estabilidade.
Como o novo material tem apenas bilionésimos de metro de espessura – é um dos mais finos ferroelétricos já feitos -, ele também poderia permitir um armazenamento de memória de computador muito mais denso.
A equipe descobriu ainda que torcer as folhas paralelas de nitreto de boro em um ligeiro ângulo umas com as outras resultou em outro “tipo completamente novo de estado ferroelétrico”, disse Yasuda. Essa abordagem geral, conhecida como twistrônica, foi iniciada pelo grupo Jarillo-Herrero, que a utilizou para alcançar a supercondutividade não convencional em grafeno.
Nova Física
O novo material ferroelétrico ultrafino também é empolgante porque envolve uma nova física. O mecanismo por trás de seu funcionamento é completamente diferente daquele dos materiais ferroelétricos convencionais.
Diz Yasuda: “A comutação ferroelétrica fora do plano ocorre por meio do movimento deslizante no plano entre duas folhas de nitreto de boro. Este acoplamento único entre a polarização vertical e o movimento horizontal é possibilitado pela rigidez lateral do nitreto de boro.”
Em direção a outros ferroelétricos
Yasuda observa que outros novos ferroelétricos poderiam ser produzidos usando a mesma técnica descrita na Science. “Nosso método para transformar um material de partida não ferroelétrico em um ferroelétrico ultrafino se aplica a outros materiais com estruturas atômicas semelhantes ao nitreto de boro, para que possamos expandir amplamente a família dos ferroelétricos. Apenas alguns poucos ferroelétricos ultrafinos existem hoje”, disse ele. Os pesquisadores estão trabalhando atualmente para esse fim e têm obtido alguns resultados promissores.
O laboratório Jarillo-Herrero é um pioneiro na manipulação e exploração de materiais ultrafinos e bidimensionais como o grafeno. No entanto, a conversão de nitreto de boro ultrafino em ferroelétrico foi inesperada.
Diz Xirui Wang:
“Ainda me lembro de quando estávamos fazendo as medições e vimos um salto incomum nos dados. Decidimos que deveríamos executar o experimento novamente e, quando o fizemos várias vezes, confirmamos que algo novo estava acontecendo.”
Publicado em 08/09/2021 08h59
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