Um grupo de pesquisadores liderados por Sir Andre Geim e Dr. Alexey Berdyugin da Universidade de Manchester descobriram e caracterizaram uma nova família de quasipartículas denominadas ‘férmions Brown-Zak’ em superredes à base de grafeno.
A equipe alcançou esse avanço alinhando a estrutura atômica de uma camada de grafeno com a de uma folha isolante de nitreto de boro, mudando drasticamente as propriedades da folha de grafeno.
O estudo segue anos de avanços sucessivos em superredes de nitreto de grafeno-boro que permitiram a observação de um padrão fractal conhecido como a borboleta de Hofstadter – e hoje (sexta-feira, 13 de novembro) os pesquisadores relatam outro comportamento altamente surpreendente de partículas em tais estruturas sob aplicação magnética campo.
“É bem sabido que em campo magnético zero os elétrons se movem em trajetórias retas e se você aplicar um campo magnético eles começam a se curvar e se mover em círculos”, explicam Julien Barrier e Dr. Piranavan Kumaravadivel, que realizou o trabalho experimental.
“Em uma camada de grafeno que foi alinhada com o nitreto de boro, os elétrons também começam a se dobrar – mas se você definir o campo magnético em valores específicos, os elétrons se movem em trajetórias retas novamente, como se não houvesse mais campo magnético!”
“Esse comportamento é radicalmente diferente dos livros didáticos de física.” acrescenta o Dr. Piranavan Kumaravadivel.
“Atribuímos esse comportamento fascinante à formação de novas quasipartículas em alto campo magnético”, disse o Dr. Alexey Berdyugin. “Essas quasipartículas têm suas próprias propriedades únicas e mobilidade excepcionalmente alta, apesar do campo magnético extremamente alto.”
Conforme publicado na Nature Communications, o trabalho descreve como os elétrons se comportam em uma superrede de grafeno de ultra-alta qualidade com uma estrutura revisada para as características fractais da borboleta de Hofstadter. Melhorias fundamentais na fabricação de dispositivos de grafeno e técnicas de medição na última década tornaram este trabalho possível.
“O conceito de quasipartículas é indiscutivelmente um dos mais importantes na física da matéria condensada e sistemas quânticos de muitos corpos. Foi introduzido pelo físico teórico Lev Landau na década de 1940 para descrever os efeitos coletivos como uma ‘excitação de uma partícula'”, explica Julien. Barreira “Eles são usados em vários sistemas complexos para compensar os efeitos de muitos corpos.”
Até agora, o comportamento dos elétrons coletivos nas superredes de grafeno era pensado em termos do férmion de Dirac, uma quasipartícula que possui propriedades únicas que lembram fótons (partículas sem massa), que se replicam em campos magnéticos elevados. No entanto, isso não levou em conta algumas características experimentais, como a degeneração adicional dos estados, nem correspondeu à massa finita da quasipartícula neste estado.
Os autores propõem ‘férmions Brown-Zak’ como a família de quasipartículas existentes em superredes sob alto campo magnético. Isso é caracterizado por um novo número quântico que pode ser medido diretamente. Curiosamente, trabalhar em temperaturas mais baixas lhes permitiu levantar a degenerescência com interações de troca em temperaturas ultrabaixas.
“Sob a presença de um campo magnético, os elétrons no grafeno começam a girar com órbitas quantizadas. Para os férmions de Brown-Zak, conseguimos restaurar uma trajetória reta de dezenas de micrômetros sob campos magnéticos elevados de até 16T (500.000 vezes o campo magnético da Terra). Sob condições específicas, as quasipartículas balísticas não sentem nenhum campo magnético efetivo”, explicam o Dr. Kumaravadivel e o Dr. Berdyugin.
Em um sistema eletrônico, a mobilidade é definida como a capacidade de uma partícula se deslocar com a aplicação de uma corrente elétrica. Altas mobilidades têm sido o Santo Graal na fabricação de sistemas 2-D como o grafeno, porque tais materiais apresentariam propriedades adicionais (efeitos hall quântico inteiro e fracionário) e potencialmente permitiriam a criação de transistores de ultra-alta frequência, os componentes do coração de um processador de computador.
“Para este estudo preparamos dispositivos de grafeno que são extragrandes com um nível de pureza muito alto”. diz o Dr. Kumaravadivel. Isso nos permitiu atingir mobilidades de vários milhões de cm² / Vs, o que significa que as partículas viajariam direto por todo o dispositivo sem se espalhar. É importante notar que este não foi apenas o caso para os férmions de Dirac clássicos no grafeno, mas também para os férmions de Brown-Zak relatados no trabalho.
Esses férmions Brown-Zak definem novos estados metálicos, que são genéricos para qualquer sistema de superrede, não apenas o grafeno, e oferecem um playground para novos problemas de física da matéria condensada em outros superredes baseados em materiais 2-D.
Julien Barrier acrescentou: “As descobertas são importantes, é claro, para estudos fundamentais no transporte de elétrons, mas acreditamos que a compreensão de quasipartículas em novos dispositivos de superrede sob altos campos magnéticos pode levar ao desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos.”
A alta mobilidade significa que um transistor feito a partir de tal dispositivo pode operar em frequências mais altas, permitindo que um processador feito desse material execute mais cálculos por unidade de tempo, resultando em um computador mais rápido. Aplicar um campo magnético geralmente reduziria a mobilidade e tornaria esse dispositivo inutilizável para certas aplicações. As altas mobilidades de férmions Brown-Zak em altos campos magnéticos abrem uma nova perspectiva para dispositivos eletrônicos operando sob condições extremas.
Publicado em 16/11/2020 10h14
Artigo original:
Estudo original:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: