Grafeno dá poderes torcidos de grafite 3D

Empilhar duas folhas ligeiramente tortas de grafeno uma sobre a outra levou, nos últimos anos, a uma física fenomenal – incluindo supercondutividade ajustável, memória quântica e estranhos novos estados da matéria envolvendo aglomerados “amontoados” de elétrons. O curioso comportamento destes sistemas surge com um ângulo de “torção” entre o padrão hexagonal nas duas folhas tão pequeno quanto 1,1 graus. E com tantas novas físicas surgindo, as aplicações tecnológicas do chamado grafeno de bicamada torcida apenas começaram a ser imaginadas, com misteriosas propriedades térmicas, ópticas, eletrônicas, materiais e outras apenas esperando para serem desenvolvidas.

Agora, cientistas nos Estados Unidos e no Reino Unido começaram a explorar os limites exteriores destes sistemas 2D empilhados: e se apenas uma das duas camadas dessas bicamadas tivesse a espessura de um átomo? Quantas camadas podem ser adicionadas ao volume até que a magia da bicamada desapareça? Para surpresa desses pesquisadores, algumas das propriedades da bicamada persistiram mesmo dentro de espessas pilhas tridimensionais de grafite.

Os comportamentos estranhos agora observados no grafite mais grafeno estão fazendo os pesquisadores revisitarem propriedades estranhas do grafite antigo, como observado desde a década de 1970.

“A sabedoria comum durante algum tempo era... se for um metal com muitas camadas, ele se comporta como se fosse tridimensional”, diz Vladimir Falko, professor de física teórica na Universidade de Manchester, na Inglaterra. “Foi bastante incomum ver que em uma película tão espessa de grafite era possível ver o comportamento bidimensional.”

Em sua busca para compreender os limites dos comportamentos quânticos de camada fina, equipes de pesquisa da Universidade de Washington e da Universidade de Manchester criaram, cada uma, duas configurações ligeiramente diferentes. O grupo da Universidade de Washington superou uma espessa pilha de grafite com uma única camada de grafeno, torcida em um ligeiro ângulo. A equipe da Universidade de Manchester usou uma pilha de grafite semelhante, mas em vez disso a cobriu com uma única camada de folha bidimensional de nitreto de boro.

Ambas as abordagens criam a mesma estrutura entre as duas camadas superiores de sua pilha – o que é chamado de superrede moiré. É chamada de superrede porque o ângulo incompatível entre as duas camadas adiciona novos tipos de padrões semelhantes a moiré ao sistema. Com uma camada superior de grafeno torcido, a incompatibilidade vem do ângulo de torção entre as células hexagonais de cada folha, enquanto com uma camada superior de nitreto de boro, a incompatibilidade vem dos espaçamentos de rede ligeiramente diferentes do nitreto de boro e do grafite abaixo.

Quando submetidas a fortes campos magnéticos, as superredes moiré sofrem transformações notáveis ​​devido ao espaçamento da rede muito aumentado. Neste cenário, um fluxo magnético significativamente maior pode agora perfurar uma única plaqueta de rede, transformando ainda mais as propriedades já estranhas do material. À medida que o campo é ajustado, a condutividade da folha oscila periodicamente, um fenômeno conhecido como oscilações de Brown-Zak.

Os pesquisadores não esperavam que suas espessas pilhas de grafeno com uma única camada de superrede moiré no topo exibissem tais efeitos. Afinal, os fenômenos descritos acima só foram observados com um par (ou pequeno conjunto) de folhas 2D uma sobre a outra. Um pedaço 3D de grafite era um terreno totalmente novo. E as equipes tinham todos os motivos para suspeitar que os estranhos comportamentos quânticos simplesmente não seriam vistos no sistema. No entanto, à medida que ajustavam os seus campos magnéticos, os investigadores observaram oscilações na condutividade de toda a pilha – oscilações Brown-Zak características de materiais moiré bidimensionais.

“Se você tiver 18 camadas de grafite e torcer apenas uma dessas camadas em 1 grau, não estará realmente fazendo uma mudança estrutural muito grande no material”, diz Matthew Yankowitz, que liderou o esforço da Universidade de Washington. “Mas toda a pilha de grafite se comporta basicamente como um material moiré, mesmo sendo um material tridimensional. Acho que essa é uma nova visão interessante.”