Foto: Peter O'Connor aka anemoneprojectors / Flickr

Pesquisadores descobriram que o grafite a granel exibe um efeito hall quântico de maneiras notáveis, abrindo novas áreas de pesquisa em física.

Observando o efeito hall quântico fora de um sistema 2D

Cientistas da Universidade de Manchester, Reino Unido, liderados pelo Dr. Artem Mishchenko, pelo Prof Volodya Fal’ko e pelo Prof. André Geim, encontraram o efeito Hall quântico (QHE) no grafite, que é um cristal feito de camadas empilhadas de grafeno.

Suas descobertas, publicadas na revista Nature Physics, não foram antecipadas, já que o QHE deve ser limitado a sistemas conhecidos como sistemas bidimensionais, onde o movimento de elétrons é limitado a um plano e não pode se mover perpendicularmente.

Os pesquisadores usaram cristais de grafite clivados protegidos por nitreto de boro hexagonal em camadas. Seus dispositivos se conformavam à geometria da barra Hall, permitindo-lhes medir o transporte de elétrons no grafite.

“As medidas foram bastante simples.” explica o membro da equipe de pesquisa e primeiro autor do artigo, Dr. Jun Yin. “Passamos por uma pequena corrente ao longo da barra Hall, aplicamos um forte campo magnético perpendicular ao plano da barra Hall e medimos as voltagens geradas ao longo e através do dispositivo para extrair resistividade longitudinal e resistência Hall.”

Fal’ko, que trabalhou na parte teórica do artigo, disse: “ficamos muito surpresos quando vimos o efeito Hall quântico (QHE) – uma sequência de platôs quantizados na resistência Hall – acompanhado por resistividade longitudinal zero em nossas amostras. Eles são grossos o suficiente para se comportarem como um semimetal normal em que o QHE deve ser proibido. ”

Outras peculiaridades encontradas

Outra descoberta surpreendente foi que o número de camadas de grafeno contidas no grafite – especificamente se havia um número ímpar de camadas ou um número par – afetou suas observações do QHE.

Eles descobriram que as ondas estacionárias dos dois tipos diferentes de elétrons no grafite produziram reduções nos intervalos de energia QHE, quando havia um número ímpar de camadas de grafeno no grafite, e o fizeram mesmo quando havia centenas de camadas de grafeno.

Outro resultado surpreendente foi a descoberta do QHE fracional (FQHE) – que é diferente do QHE normal e é o produto de interações entre elétrons que dão origem a fenômenos como supercondutividade e magnetismo – em camadas muito finas de grafite.

“A maioria dos resultados que observamos pode ser explicada usando um modelo simples de elétrons únicos, mas ver o FQHE nos diz que a imagem não é tão simples”, disse Mishchenko. “Há uma abundância de interações elétron-elétron em nossas amostras de grafite em campos magnéticos altos e baixas temperaturas, o que mostra que a física de muitos corpos é importante neste material.”

Recolhendo alguns dos holofotes do grafeno

O grafite ficou para trás do grafeno há anos, mas os pesquisadores esperam que seu trabalho mostre que o material grafite ainda é digno de um estudo considerável.

“Nosso trabalho é um novo trampolim para estudos adicionais sobre este material, incluindo física de muitos corpos, como ondas de densidade, condensação excitônica ou cristalização de Wigner”, disse Mishchenko.

“Durante décadas o grafite foi usado pelos pesquisadores como uma espécie de ‘pedra filosofal’ que pode fornecer todos os fenômenos prováveis ​​e improváveis, incluindo a supercondutividade à temperatura ambiente”, disse Geim. “Nosso trabalho mostra o que é, em princípio, possível neste material, pelo menos quando está em sua forma mais pura”.

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