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Nanotecnologia

Grafeno pode ir de isolante a supercondutor em um movimento

Com informações do MIT - 06/03/2018

Grafeno empilhado pode ser isolante ou supercondutor
São duas folhas de grafeno puro, giradas em 1,1 grau uma em relação à outra.
[Imagem: Yuan Cao et al. - 10.1038/nature26160]

Material extravagante

É difícil acreditar que um único material possa ser descrito com tantos superlativos quanto o grafeno.

Desde a descoberta do grafeno em 2004, os cientistas descobriram que a folha de átomos de carbono dispostos em formato de favo de mel não é apenas o material mais fino conhecido, mas também incrivelmente leve e flexível, centenas de vezes mais forte do que o aço e mais eletricamente condutivo do que o cobre.

Agora, físicos do MIT e da Universidade de Harvard, nos EUA, descobriram que o material pode apresentar propriedades eletrônicas ainda mais extravagantes.

É possível ajustar o grafeno para que ele se comporte em dois extremos elétricos: como um isolante, no qual os elétrons são completamente impedidos de fluir; e como um supercondutor, no qual a corrente elétrica pode fluir sem qualquer resistência.

Ângulo mágico

Embora nanofitas de grafeno já tenham revelado o transporte balístico de elétrons e experimentos montando o grafeno sobre outros metais supercondutores também tenham funcionado, desta vez nada foi adicionado, demonstrando que a supercondutividade pode ser uma qualidade intrínseca no material puro de carbono.

Yuan Cao e seus colegas conseguiram isso criando uma "superrede" de duas folhas de grafeno empilhadas - não precisamente uma em cima da outra, mas giradas levemente, em um "ângulo mágico" de 1,1 grau.

Como resultado, o padrão de favo de mel hexagonal sobreposto é ligeiramente deslocado, criando uma configuração moiré precisa que induz estranhas "interações fortemente correlacionadas" entre os elétrons nas folhas de grafeno.

Em qualquer outra configuração empilhada, as folhas de grafeno preferem se manter discretas, interagindo muito pouco, eletronicamente ou de outra forma, com suas camadas vizinhas - vale destacar, elas continuam funcionando como excelentes condutoras elétricas, melhores do que a maioria dos metais.

De isolante a supercondutor

Então, quando giradas no tal ângulo mágico, as duas folhas de grafeno repentinamente adotam um comportamento não-condutor, semelhante a uma classe exótica de materiais conhecidos como isolantes de Mott' [Nevill Francis Mott (1905-1996)] - a transição metal-isolante de Mott é uma mudança abrupta na condutividade elétrica que ocorre a uma dada temperatura quando a repulsão de Coulomb entre os elétrons se torna comparável à energia cinética dos elétrons livres.

Mas, quando Cao aplicou uma carga elétrica, adicionando pequenas quantidades de elétrons à super-rede de grafeno, os elétrons saíram do estado inicial de isolamento e fluíram sem resistência, como se estivessem trafegando em um supercondutor.

Ainda é difícil prever as possibilidades de uso desta descoberta, mas a equipe está entusiasmada.

"Agora podemos usar o grafeno como uma nova plataforma para investigar a supercondutividade não convencional," disse o professor Pablo Jarillo-Herrero. "Também se pode imaginar a fabricação de um transístor supercondutor de grafeno, que você pode ligar e desligar, de supercondutor para isolante. Isso abre muitas possibilidades para dispositivos quânticos."

Bibliografia:

Artigo: Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices
Autores: Yuan Cao, Valla Fatemi, Shiang Fang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Efthimios Kaxiras, Pablo Jarillo-Herrero
Revista: Nature
Vol.: 556, pages 43-50
DOI: 10.1038/nature26160

Artigo: Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices
Autores: Yuan Cao, Valla Fatemi, Ahmet Demir, Shiang Fang, Spencer L. Tomarken, Jason Y. Luo, Javier D. Sanchez-Yamagishi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Efthimios Kaxiras, Ray C. Ashoori, Pablo Jarillo-Herrero
Revista: Nature
Vol.: 556, pages 80-84
DOI: 10.1038/nature26154
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