Desde a descoberta do grafeno, há mais de 15 anos, os pesquisadores estão em uma corrida global para descobrir suas propriedades únicas. Não é apenas o grafeno – uma folha de carbono com a espessura de um átomo disposta em uma estrutura hexagonal – o material mais forte e fino conhecido pelo homem, mas também um excelente condutor de calor e eletricidade.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Columbia e da Universidade de Washington descobriu que uma variedade de estados eletrônicos exóticos, incluindo uma forma rara de magnetismo, podem surgir em uma estrutura de grafeno de três camadas.

Os resultados aparecem em um artigo publicado em 12 de outubro na Nature Physics.

O trabalho foi inspirado em estudos recentes de monocamadas torcidas ou bicamadas torcidas de grafeno, compreendendo duas ou quatro folhas no total. Descobriu-se que esses materiais hospedam uma série de estados eletrônicos incomuns, impulsionados por fortes interações entre elétrons.

“Ficamos imaginando o que aconteceria se combinássemos monocamadas e bicamadas de grafeno em um sistema trançado de três camadas”, disse Cory Dean, professor de física da Universidade de Columbia e um dos autores sênior do artigo. “Descobrimos que variar o número de camadas de grafeno confere a esses materiais compostos algumas propriedades novas e interessantes que não tinham sido vistas antes.”

Além do Reitor, o Professor Assistente Matthew Yankowitz e o Professor Xiaodong Xu, ambos dos departamentos de física e ciência dos materiais e engenharia da Universidade de Washington, são os autores sênior do trabalho. Shaowen Chen, estudante de graduação da Columbia, e Minhao He, estudante de graduação da Universidade de Washington, são os co-autores do artigo.

Para conduzir o experimento, os pesquisadores empilharam uma folha monocamada de grafeno em uma folha bicamada e a torceram cerca de 1 grau. Em temperaturas alguns graus acima do zero absoluto, a equipe observou uma série de estados de isolamento – que não conduzem eletricidade – impulsionados por fortes interações entre elétrons. Eles também descobriram que esses estados poderiam ser controlados pela aplicação de um campo elétrico nas folhas de grafeno.

“Aprendemos que a direção de um campo elétrico aplicado é muito importante”, disse Yankowitz, que também é um ex-pesquisador de pós-doutorado no grupo de Dean.

Quando os pesquisadores apontaram o campo elétrico em direção à folha de grafeno monocamada, o sistema se assemelhava ao grafeno de duas camadas torcidas. Mas quando eles mudaram a direção do campo elétrico e o apontaram em direção à folha de grafeno de duas camadas, ele imitou o grafeno de duas camadas torcidas – a estrutura de quatro camadas.

A equipe também descobriu novos estados magnéticos no sistema. Ao contrário dos ímãs convencionais, que são impulsionados por uma propriedade mecânica quântica dos elétrons chamada “spin”, um movimento coletivo dos elétrons na estrutura de três camadas da equipe é a base do magnetismo, eles observaram.

Essa forma de magnetismo foi descoberta recentemente por outros pesquisadores em várias estruturas de grafeno apoiadas em cristais de nitreto de boro. A equipe agora demonstrou que também pode ser observada em um sistema mais simples construído inteiramente com grafeno.

“O carbono puro não é magnético”, disse Yankowitz. “Notavelmente, podemos projetar essa propriedade organizando nossas três folhas de grafeno nos ângulos de torção certos.”

Além do magnetismo, o estudo descobriu sinais de topologia na estrutura. Semelhante a amarrar diferentes tipos de nós em uma corda, as propriedades topológicas do material podem levar a novas formas de armazenamento de informações, que “podem ser uma plataforma para computação quântica ou novos tipos de aplicativos de armazenamento de dados com eficiência energética”, disse Xu.

Por enquanto, eles estão trabalhando em experimentos para entender melhor as propriedades fundamentais dos novos estados que descobriram nesta plataforma. “Este é realmente apenas o começo”, disse Yankowitz.

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