Pesquisadores da Universidade de Manchester, no Reino Unido, identificaram uma nova família de quasipartículas em superredes feitas de grafeno imprensado entre duas placas de nitreto de boro. O trabalho é importante para estudos fundamentais da física da matéria condensada e também pode levar ao desenvolvimento de transistores aprimorados, capazes de operar em frequências mais altas.
Nos últimos anos, físicos e cientistas de materiais têm estudado maneiras de usar o acoplamento fraco (van der Waals) entre camadas atomicamente finas de diferentes cristais para criar novos materiais nos quais as propriedades eletrônicas podem ser manipuladas sem dopagem química. O exemplo mais famoso é o grafeno (uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura) encapsulado entre outro material 2D, nitreto de boro hexagonal (hBN), que tem uma constante de rede semelhante. Uma vez que ambos os materiais também têm estruturas hexagonais semelhantes, padrões regulares moiré (ou “superredes”) se formam quando os dois reticulados são sobrepostos.
Se as camadas empilhadas de grafeno-hBN forem torcidas e o ângulo entre as redes dos dois materiais diminuir, o tamanho da superrede aumentará. Isso faz com que lacunas de banda eletrônica se desenvolvam por meio da formação de bandas Bloch adicionais na zona de Brillouin da super rede (uma construção matemática que descreve as idéias fundamentais das bandas de energia eletrônica). Nessas bandas de Bloch, os elétrons se movem em um potencial elétrico periódico que corresponde à rede e não interagem entre si.
Borboleta de Hofstadter
Em 2013, a equipe de Manchester liderada por Andrei Geim e Alexey Berdyugin, junto com dois grupos independentes do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e da Universidade de Columbia nos EUA, observaram um padrão fractal impressionante em gráficos de densidade de elétrons versus força de campo magnético nesses superredes hBN. Este padrão, conhecido como “borboleta de Hofstadter”, surgiu quando as equipes determinaram o espectro de energia das superredes medindo sua condutividade elétrica em campos magnéticos fortes de até 17 Tesla.
Os pesquisadores de Manchester agora relatam outro comportamento surpreendente de elétrons em tais estruturas, novamente sob fortes campos magnéticos. “É bem sabido que em um campo magnético zero, os elétrons se movem em trajetórias retas e se você aplicar um campo magnético eles começam a se dobrar e se mover em círculos, o que diminui a condutividade”, explicam os membros da equipe Julien Barrier e Piranavan Kumaravadivel, que carregavam o trabalho experimental. “Em uma camada de grafeno alinhada com hBN, os elétrons também começam a se dobrar, mas se você definir o campo magnético em valores específicos, a condutividade aumenta drasticamente. É como se os elétrons se movessem em trajetórias retas novamente, como em um metal sem campo magnético mais.”
Quasipartículas novas de Brown-Zak
Esse comportamento é “radicalmente diferente da física dos livros didáticos”, diz Kumaravadivel, e ele e seus colegas atribuem isso à formação de novas quasipartículas que representam uma nova classe de estado metálico. Essas quasipartículas são conhecidas como férmions Brown-Zak e, de acordo com Berdyugin, movem-se a velocidades balísticas excepcionalmente rápidas em toda a estrutura de grafeno-hBN, apesar do campo magnético extremamente alto. Isso porque, ao contrário dos elétrons, que giram com órbitas quantizadas na presença de um campo magnético, os férmions Brown-Zak seguem uma trajetória reta com dezenas de mícrons de comprimento em campos magnéticos de até 16 T.
“Sob condições específicas (isto é, sempre que o” raio do ciclotron “dos férmions é um múltiplo da constante de rede moiré), descobrimos que as quasipartículas de movimento rápido não sentem nenhum campo magnético efetivo”, diz Barrier à Physics World.
Implicações para engenharia de dispositivos
O grafeno usado para preparar o dispositivo da equipe de Manchester é muito puro, o que possibilita que os portadores de carga dentro dele atinjam mobilidades de vários milhões de cm2 / Vs. Essas altas mobilidades implicam que os portadores de carga poderiam viajar direto por todo o dispositivo sem espalhamento, e eles são muito procurados na fabricação de materiais 2D porque poderiam tornar possível o desenvolvimento de transistores de ultra-alta frequência. Processadores de computador contendo dispositivos desse tipo seriam capazes de realizar um maior número de cálculos no mesmo período de tempo, resultando em uma máquina mais rápida.
Os pesquisadores dizem que os férmions Brown-Zak que observam são novos estados metálicos que deveriam ser genéricos para qualquer sistema de superrede, não apenas para o grafeno. Isso torna suas descobertas importantes para estudos fundamentais de transporte de elétrons, bem como para caracterizar e compreender novos dispositivos de super-rede baseados em materiais 2D diferentes do grafeno.
Estimulado por este resultado, Barrier e seus colegas dizem que agora planejam explorar características anômalas de férmions Brown-Zak que não correspondem à estrutura teórica de Hofstadter. Detalhes completos da pesquisa são relatados na Nature Communications.
Publicado em 30/11/2020 21h18
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