Físicos do MIT criam uma superestrada quântica de cinco pistas para elétrons

MIT os físicos desenvolveram uma nova forma de grafenocriando uma superestrada de elétrons de cinco pistas que permite o movimento de elétrons ultraeficiente sem perda de energia.

Esse avanço no grafeno pentacamada romboédrico pode transformar dispositivos eletrônicos de baixa potência e opera por meio do efeito Hall anômalo quântico em campo magnético zero.

Físicos do MIT e seus colaboradores criaram uma superestrada de cinco pistas para elétrons que pode permitir eletrônicos ultraeficientes e muito mais.

O trabalho, publicado recentemente na revista Ciênciaé uma das várias descobertas importantes da mesma equipe no ano passado envolvendo um material que é uma forma única de grafeno.

“Esta descoberta tem implicações diretas para dispositivos eletrônicos de baixa potência porque nenhuma energia é perdida durante a propagação de elétrons, o que não é o caso em materiais regulares onde os elétrons são espalhados”, diz Long Ju, professor assistente no Departamento de Física e autor correspondente do Ciência papel.

O fenômeno é semelhante aos carros que viajam por uma via expressa aberta, em oposição aos que circulam pelos bairros. Os carros da vizinhança podem ser parados ou desacelerados por outros motoristas que fazem paradas abruptas ou inversões de marcha que atrapalham um deslocamento que de outra forma seria tranquilo.

Um novo material: grafeno romboédrico

O material por trás deste trabalho, conhecido como grafeno pentacamada romboédrico, foi descoberto há dois anos por físicos liderados por Ju. “Encontramos uma mina de ouro e cada furo revela algo novo”, diz Ju, que também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT.

Em um Nanotecnologia da Natureza artigo em outubro passado, Ju e colegas relataram a descoberta de três propriedades importantes decorrentes do grafeno romboédrico. Por exemplo, eles mostraram que poderia ser topológico ou permitir o movimento desimpedido dos elétrons ao redor da borda do material, mas não através do meio. Isso resultou em uma superestrada, mas exigiu a aplicação de um grande campo magnético algumas dezenas de milhares de vezes mais forte que o campo magnético da Terra.

Seis dos físicos do MIT que criaram uma superestrada de cinco pistas para elétrons são (da esquerda para a direita) os estudantes de pós-graduação Jixiang Yang, Junseok Seo e Tonghang Han; o estudante visitante de graduação Yuxuan Yao; o professor assistente Long Ju; e o pós-doutorado Zhengguang Lu. Crédito: Shenyong Ye

Melhorando os canais de elétrons do grafeno

No trabalho atual, a equipe relata a criação da superestrada sem qualquer campo magnético.

Tonghang Han, estudante de pós-graduação em física do MIT, é co-autor do artigo. “Não somos os primeiros a descobrir este fenómeno geral, mas fizemos isso num sistema muito diferente. E comparado aos sistemas anteriores, o nosso é mais simples e também suporta mais canais de elétrons.” Explica Ju, “outros materiais só suportam uma faixa de tráfego na borda do material. De repente, aumentamos para cinco.”

Outros co-autores do artigo que contribuíram igualmente para o trabalho são Zhengguang Lu e Yuxuan Yao. Lu é pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa de Materiais. Yao conduziu o trabalho como estudante visitante de graduação na Universidade de Tsinghua. Outros autores são o professor de física do MIT, Liang Fu; Jixiang Yang e Junseok Seo, ambos estudantes de pós-graduação em física do MIT; Chiho Yoon e Fan Zhang, da Universidade do Texas em Dallas; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.

Como funciona

Grafite, o componente primário do grafite do lápis, é composto de muitas camadas de grafeno, uma única camada de átomos de carbono dispostos em hexágonos que lembram uma estrutura de favo de mel. O grafeno romboédrico é composto de cinco camadas de grafeno empilhadas em uma ordem específica de sobreposição.

Ju e colegas isolaram o grafeno romboédrico graças a um novo microscópio Ju construído no MIT em 2021 que pode determinar de forma rápida e relativamente barata uma variedade de características importantes de um material no nanoescala. O grafeno empilhado romboédrico de pentacamada tem apenas alguns bilionésimos de metro de espessura.

No trabalho atual, a equipe mexeu no sistema original, adicionando uma camada de dissulfeto de tungstênio (WS₂). “A interação entre o WS₂ e o grafeno romboédrico pentacamada resultou nesta superestrada de cinco pistas que opera com campo magnético zero”, diz Ju.

Comparação com supercondutividade

O fenômeno que o grupo Ju descobriu no grafeno romboédrico que permite que elétrons viajem sem resistência em campo magnético zero é conhecido como efeito Hall anômalo quântico. A maioria das pessoas está mais familiarizada com a supercondutividade, um fenômeno completamente diferente que faz a mesma coisa, mas acontece em materiais muito diferentes.

Ju observa que, embora os supercondutores tenham sido descobertos na década de 1910, foram necessários cerca de 100 anos de pesquisa para fazer com que o sistema funcionasse nas temperaturas mais altas necessárias para as aplicações. “E o recorde mundial ainda está bem abaixo da temperatura ambiente”, observa.

Da mesma forma, a superestrada do grafeno romboédrico opera atualmente a cerca de 2 kelvins, ou -456 graus. Fahrenheit. “Será preciso muito esforço para elevar a temperatura, mas, como físicos, nosso trabalho é fornecer o insight; uma maneira diferente de realizar esse (fenômeno)”, diz Ju.

Implicações e Perspectivas Futuras

As descobertas envolvendo o grafeno romboédrico vieram como resultado de uma pesquisa meticulosa que não tinha garantia de funcionar. “Tentamos muitas receitas ao longo de muitos meses”, diz Han, “então foi muito emocionante quando resfriamos o sistema a uma temperatura muito baixa e (uma superestrada de cinco pistas operando com campo magnético zero) simplesmente apareceu”.

Diz Ju, “é muito emocionante ser o primeiro a descobrir um fenómeno num novo sistema, especialmente num material que descobrimos”.

Referência: “Grande efeito Hall anômalo quântico em grafeno romboédrico proximitizado de spin-órbita” por Tonghang Han, Zhengguang Lu, Yuxuan Yao, Jixiang Yang, Junseok Seo, Chiho Yoon, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu, Fan Zhang e Long Ju, 9 de maio de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adk9749

Este trabalho foi apoiado por uma bolsa Sloan; pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA; pelo Gabinete do Subsecretário de Defesa dos EUA para Pesquisa e Engenharia; pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência KAKENHI; e pela Iniciativa Internacional de Pesquisa do Japão.