Descobertas novas quasipartículas no grafeno

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/11/2020

As quasipartículas desafiam os campos magnéticos, não se importando com eles.
[Imagem: Julien Barrier et al. - 10.1038/s41467-020-19604-0]

Superredes

Físicos descobriram um fenômeno envolvendo materiais monoatômicos que é "radicalmente diferente da física dos livros didáticos", segundo eles.

Julien Barrier e colegas da Universidade de Manchester, no Reino Unido, descobriram e caracterizaram uma nova família de quasipartículas - que eles batizaram de "férmions Brown-Zak" - em superredes à base de grafeno. Uma superrede é uma estrutura formada por diferentes elementos, um diamante de ouro, por exemplo, em contraposição à rede atômica de um cristal, formada por um único elemento.

"O conceito de quasipartículas é indiscutivelmente um dos mais importantes na física da matéria condensada e nos sistemas quânticos de muitos corpos. Ele foi introduzido pelo físico teórico Lev Landau na década de 1940 para descrever os efeitos coletivos como uma 'excitação de uma partícula'," explica Barrier. "Elas são usadas em uma série de sistemas complexos para explicar os efeitos de muitos corpos."

Essas quasipartículas têm potencial para se tornar o Santo Graal dos materiais 2D por viabilizarem a construção de transistores de frequência ultra-alta que podem, por sua vez, produzir uma nova geração de componentes eletrônicos super rápidos.

O experimento representa o avanço de uma descoberta feita pela equipe há alguns anos, quando eles observaram em superredes de grafeno um padrão fractal conhecido como borboleta de Hofstadter.

Os férmions Brown-Zak emergem em superredes, formadas pela sobreposição de dois materiais monoatômicos.
[Imagem: Julien Barrier et al. - 10.1038/s41467-020-19604-0]

Férmions Brown-Zak

A equipe obteve este novo avanço alinhando a estrutura atômica de uma camada de grafeno com a de uma folha isolante de nitreto de boro, o que permitiu mudar drasticamente as propriedades da folha de grafeno, fazendo emergirem quasipartículas Brown-Zak - esta técnica de deslocamento lançou as bases da flexotrônica, ou girotrônica, um jeito de fazer eletrônica usando apenas dois materiais.

"É bem sabido que, em campo magnético zero, os elétrons se movem em trajetórias retas, e se você aplicar um campo magnético eles começam a se curvar e a se mover em círculos," contextualiza Barrier. "Em uma camada de grafeno que foi alinhada com o nitreto de boro, os elétrons também começam a se dobrar - mas se você configurar o campo magnético em valores específicos, os elétrons se movem em trajetórias retas novamente, como se não houvesse mais campo magnético!"

"Esse comportamento é radicalmente diferente do que está descrito nos livros didáticos de física," acrescentou o professor Piranavan Kumaravadivel.

Até agora, o comportamento coletivo dos elétrons nas superredes de grafeno era pensado em termos do férmion de Dirac, uma quasipartícula que possui propriedades únicas que lembram fótons (partículas sem massa), que se replicam em campos magnéticos elevados. No entanto, isso não leva em conta algumas características experimentais, como a degeneração adicional dos estados, nem corresponde à massa finita da quasipartícula neste estado.

A equipe propõe então os novos "férmions Brown-Zak" como a família de quasipartículas existentes em superredes sob um campo magnético elevado. Elas são caracterizadas por um novo número quântico que pode ser medido diretamente.

"Sob a presença de um campo magnético, os elétrons do grafeno começam a girar com órbitas quantizadas. Para os férmions de Brown-Zak, conseguimos restaurar uma trajetória reta de dezenas de micrômetros sob campos magnéticos elevados de até 16 teslas (500.000 vezes o campo magnético da Terra). Em condições específicas, as quasipartículas balísticas não sentem nenhum campo magnético efetivo," explicou o Dr. Kumaravadivel.

A equipe está interessada em usar as novas quasipartículas para desenvolver transistores ultrarrápidos.
[Imagem: Julien Barrier et al. - 10.1038/s41467-020-19604-0]

Eletrônica super rápida

Em um sistema eletrônico, a mobilidade é definida como a capacidade de um elétron se deslocar com a aplicação de uma corrente elétrica. Altas mobilidades têm sido o Santo Graal na fabricação de sistemas 2D, como o grafeno, porque esses materiais apresentariam propriedades adicionais (efeitos hall quântico inteiro e fracionário) e potencialmente permitiriam a criação de transistores de ultra-alta frequência, os componentes básicos dos processadores de computador, por exemplo.

"As descobertas são importantes, é claro, para estudos fundamentais no transporte de elétrons, mas acreditamos que a compreensão de quasipartículas em novos dispositivos de superrede sob altos campos magnéticos pode levar ao desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos," disse Barrier.

A alta mobilidade significa que um transístor feito a partir desse modo eletrônico pode operar em frequências mais altas, permitindo que um processador feito desse material execute mais cálculos por unidade de tempo, resultando em um computador mais rápido.

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