O Grafeno: Conduzindo Eletricidade à Velocidade da Luz

Físicos observaram elétrons deslocando-se entre duas camadas de carbono sem massa aparente, comportando-se de maneira semelhante à luz.

Essas camadas de carbono, que ocorrem naturalmente, podem ser consideradas a forma mais fina possível de grafite, conhecida como “grafeno bicamada” ou “grafeno bicamada de Bernal”, em homenagem a John Desmond Bernal [1901-1971], devido à disposição alinhada das duas camadas.

Enquanto em duas camadas de grafeno os átomos podem se alinhar diretamente um sobre o outro, formando uma estrutura cristalina chamada empilhamento AA, no empilhamento de Bernal ou empilhamento AB, um átomo de carbono na camada superior fica exatamente acima do centro de um hexágono na camada inferior, como ocorre naturalmente no grafite.

Foi nesse arranjo de empilhamento de Bernal que Anna Seiler e seus colegas da Universidade de Gottingen, na Alemanha, observaram os elétrons movendo-se de maneira similar aos fótons, partículas de luz sem massa. Além de viajarem a velocidades significativas, os elétrons no grafeno bicamada exibem o mesmo padrão de dispersão que os fótons.

Mais significativamente, a equipe demonstrou que essa corrente relativística pode ser controlada, abrindo caminho para o desenvolvimento de transistores extremamente pequenos, energeticamente eficientes e ultra rápidos. Isso não é viável no grafeno comum de camada única, pois ele não possui uma fase isolante – o grafeno é um condutor excepcional de eletricidade e não pode ser “desligado” para obter um valor “0” em um transistor (sempre permanecerá “1”).

A descoberta evidencia que o grafeno de dupla camada incorpora o melhor de dois mundos: uma estrutura que permite o movimento extremamente rápido dos elétrons, comparável à velocidade da luz, juntamente com um estado isolante. Essa fase isolante pode ser induzida pela aplicação de um campo elétrico perpendicular ao material.

Embora a teoria tenha previsto essa propriedade dos elétrons em movimento rápido em 2009, foi necessário um longo processo de desenvolvimento para obter amostras com qualidade suficiente para medir o efeito experimentalmente. Isso destaca as dificuldades enfrentadas na transição do grafeno dos experimentos de laboratório para as aplicações práticas.

Apesar dos experimentos terem sido conduzidos em temperaturas criogênicas, em torno de -273 °C, eles demonstram o potencial do grafeno de dupla camada na fabricação de transistores altamente eficientes, possivelmente contribuindo para o desenvolvimento da “eletrônica quântica”, como denominado pela equipe.

“Nosso trabalho representa um primeiro passo, porém, um passo crucial. O próximo desafio para os pesquisadores será determinar se o grafeno de dupla camada pode de fato aprimorar os transistores ou explorar o potencial desse efeito em outras áreas da tecnologia,” afirmou Anna Seiler.

De acordo com Nature.

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