Eletricidade viaja como a luz no grafeno

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/05/2024

Ilustração artística dos elétrons movendo-se no grafeno de duas camadas, que ocorre naturalmente.
[Imagem: Lukas Kroll]

Elétrons movendo-se como luz

Físicos flagraram elétrons movendo-se entre duas camadas de carbono como se não tivessem massa, movendo-se de modo análogo à luz.

Essas camadas de carbono, que ocorrem naturalmente, podem ser vistas como a estrutura mais fina possível do grafite ou, mais comumente, como um "grafeno bicamada", ou ainda como grafeno bicamada de Bernal, uma homenagem a John Desmond Bernal [1901-1971], devido ao modo como as duas camadas se alinham.

Enquanto duas camadas de grafeno podem ter seus átomos alinhados diretamente uns sobre os outros, uma estrutura cristalina chamada empilhamento AA, no empilhamento de Bernal, ou empilhamento AB, um átomo de carbono na camada superior fica diretamente acima do centro de um hexágono na camada inferior. Isso acontece naturalmente no grafite.

Foi nesse empilhamento de Bernal que Anna Seiler e seus colegas da Universidade de Gottingen, na Alemanha, registraram os elétrons movendo-se como se fossem fótons, ou partículas de luz, que não têm massa. Além de viajarem muito mais rápido, os elétrons no grafeno bicamada apresentam o mesmo comportamento de dispersão dos fótons.

O mais importante, porém, é que a equipe demonstrou que essa corrente relativística pode ser ligada e desligada, o que abre o caminho para o desenvolvimento de transistores minúsculos, energeticamente eficientes e ultrarrápidos. Isso não pode ser feito no grafeno comum, de camada única, porque ele não possui uma fase isolante - na verdade, o grafeno é um condutor de eletricidade excepcional, não sendo possível "desligá-lo" para obter um valor "0" de um transístor (ele será sempre "1").

O movimento anômalo dos elétrons deve-se aos cones de Dirac, semelhantes a ampulhetas, que descrevem as configurações eletrônicas de certos materiais em níveis específicos de energia.
[Imagem: Anna M. Seiler et al. - 10.1038/s41467-024-47342-0]

Eletrônica quântica

A descoberta mostra que o grafeno bicamada combina o melhor dos dois mundos: Uma estrutura que suporta o movimento incrivelmente rápido dos elétrons, movendo-se como a luz, além de um estado isolante. Essa fase isolante pode ser obtida pela aplicação de um campo elétrico aplicado perpendicularmente ao material.

Esta propriedade dos elétrons em movimento rápido foi prevista teoricamente em 2009, mas foi necessário um longo processo de desenvolvimento até se obter amostras com uma qualidade suficiente para medir o efeito experimentalmente - isto ilustra porque tem sido tão difícil passar o grafeno dos experimentos de laboratório para as aplicações práticas.

Embora os experimentos tenham sido realizados em temperaturas criogênicas - em torno de -273 °C - eles mostram o potencial do grafeno de dupla camada para produzir transistores altamente eficientes, eventualmente compondo o que a equipe chama de "eletrônica quântica".

"Nosso trabalho é um primeiro passo, mas um passo crucial. O próximo passo para os pesquisadores será ver se o grafeno bicamada realmente pode melhorar os transistores ou investigar o potencial desse efeito em outras áreas da tecnologia," disse Anna Seiler.

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