A grafite comum de um lápis possui propriedades extraordinárias quando cortada em camadas tão finas quanto um átomo. Uma única folha de grafite da espessura de um átomo, conhecida como grafeno, tem apenas uma pequena fração da largura de um fio de cabelo humano. Sob um microscópio, o material se assemelha a uma rede de átomos de carbono ligados em uma rede hexagonal.

Apesar de suas proporções desamparadas, os cientistas descobriram ao longo dos anos que o grafeno é excepcionalmente forte. E quando o material é empilhado e torcido em contorções específicas, ele pode assumir um comportamento eletrônico surpreendente.

Agora, os físicos do MIT descobriram outra propriedade surpreendente no grafeno: quando empilhado em cinco camadas, em um padrão romboédrico, o grafeno assume um estado “multiferróico” muito raro, no qual o material exibe tanto magnetismo não convencional quanto um tipo exótico de comportamento eletrônico. , que a equipe cunhou ferro-valleytricidade.

“O grafeno é um material fascinante”, diz o líder da equipe Long Ju, professor assistente de física no MIT. “Cada camada que você adiciona fornece essencialmente um novo material. E agora esta é a primeira vez que vemos ferro-valetricidade e magnetismo não convencional em cinco camadas de grafeno. Mas não vemos essa propriedade em uma, duas, três ou quatro camadas.”

A descoberta pode ajudar os engenheiros a projetar dispositivos de armazenamento de dados de ultra baixo consumo de energia e alta capacidade para computadores clássicos e quânticos.

“Ter propriedades multiferróicas em um material significa que, se fosse possível economizar energia e tempo para gravar um disco rígido magnético, você também poderia armazenar o dobro da quantidade de informações em comparação com dispositivos convencionais”, diz Ju.

Sua equipe relata sua descoberta hoje na Nature . Os coautores do MIT incluem o autor principal Tonghang Han, além de Zhengguang Lu, Tianyi Han e Liang Fu; junto com os colaboradores da Universidade de Harvard, Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang e Hongkun Park; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.

Um material ferroico é aquele que apresenta algum comportamento coordenado em suas propriedades elétricas, magnéticas ou estruturais. Um ímã é um exemplo comum de material ferroico: seus elétrons podem se coordenar para girar na mesma direção sem um campo magnético externo. Como resultado, o ímã aponta espontaneamente para uma direção preferida no espaço.

Outros materiais podem ser ferroicos por diferentes meios. Mas apenas alguns foram considerados multiferróicos – um estado raro em que múltiplas propriedades podem coordenar-se para exibir vários estados preferenciais. Nos multiferróicos convencionais, seria como se, além do ímã apontar em uma direção, a carga elétrica também se deslocasse em uma direção independente da direção magnética.  

Os materiais multiferróicos são de interesse para a eletrônica porque podem aumentar potencialmente a velocidade e reduzir o custo de energia dos discos rígidos. Os discos rígidos magnéticos armazenam dados na forma de domínios magnéticos – essencialmente, ímãs microscópicos que são lidos como 1 ou 0, dependendo de sua orientação magnética. Os ímãs são acionados por corrente elétrica, que consome muita energia e não pode operar rapidamente. Se um dispositivo de armazenamento pudesse ser feito com materiais multiferróicos, os domínios poderiam ser trocados por um campo elétrico mais rápido e de potência muito menor. Ju e seus colegas estavam curiosos para saber se o comportamento multiferróico surgiria no grafeno. A estrutura extremamente fina do material é um ambiente único no qual os pesquisadores descobriram interações quânticas, de outra forma ocultas. Em particular, Ju questionou se o grafeno exibiria um comportamento multiferróico e coordenado entre seus elétrons quando organizado sob certas condições e configurações.

“Estamos procurando ambientes onde os elétrons sejam desacelerados – onde suas interações com a rede circundante de átomos sejam pequenas, para que suas interações com outros elétrons possam ocorrer”, explica Ju. “É aí que temos alguma chance de ver comportamentos coletivos interessantes dos elétrons.”

A equipe realizou alguns cálculos simples e descobriu que algum comportamento coordenado entre os elétrons deveria surgir em uma estrutura de cinco camadas de grafeno empilhadas juntas em um padrão romboédrico. (Pense em cinco cercas de arame, empilhadas e ligeiramente deslocadas de modo que, vista de cima, a estrutura se assemelhasse a um padrão de losangos.)

“Em cinco camadas, os elétrons estão em um ambiente de rede onde se movem muito lentamente, para que possam interagir efetivamente com outros elétrons”, diz Ju. “É aí que os efeitos da correlação eletrônica começam a dominar e podem começar a se coordenar em certas ordens ferroicas preferidas.”

Os pesquisadores então foram ao laboratório para ver se conseguiam realmente observar o comportamento multiferróico no grafeno de cinco camadas. Em seus experimentos, eles começaram com um pequeno bloco de grafite, do qual esfoliaram cuidadosamente flocos individuais. Eles usaram técnicas ópticas para examinar cada floco, procurando especificamente flocos de cinco camadas, dispostos naturalmente em um padrão romboédrico.

“Até certo ponto, a natureza faz a mágica”, disse o autor principal e estudante de pós-graduação Han. “E podemos olhar para todos esses flocos e dizer quais têm cinco camadas, neste empilhamento romboédrico, que é o que deveria proporcionar esse efeito de desaceleração nos elétrons.”

A equipe isolou vários flocos de cinco camadas e os estudou em temperaturas logo acima do zero absoluto. Em tais condições ultrafrias, todos os outros efeitos, como distúrbios induzidos termicamente no grafeno, deveriam ser atenuados, permitindo o surgimento de interações entre elétrons. Os pesquisadores mediram a resposta dos elétrons a um campo elétrico e a um campo magnético e descobriram que, de fato, surgiram duas ordens ferroicas, ou conjuntos de comportamentos coordenados.

A primeira propriedade ferroica foi um magnetismo não convencional: os elétrons coordenavam seu movimento orbital, como planetas girando na mesma direção. (Em ímãs convencionais, os elétrons coordenam seu “spin” – girando na mesma direção, enquanto permanecem relativamente fixos no espaço.)

A segunda propriedade ferroica tinha a ver com o “vale” eletrônico do grafeno. Em todo material condutor, existem certos níveis de energia que os elétrons podem ocupar. Um vale representa o estado de energia mais baixo que um elétron pode estabelecer naturalmente. Acontece que existem dois vales possíveis no grafeno. Normalmente, os elétrons não têm preferência por nenhum dos vales e se acomodam igualmente em ambos.

Mas no grafeno de cinco camadas, a equipe descobriu que os elétrons começaram a se coordenar e preferiram se estabelecer em um vale em vez de outro. Este segundo comportamento coordenado indicou uma propriedade ferroica que, combinada com o magnetismo não convencional dos elétrons, deu à estrutura um estado multiferróico raro.

“Sabíamos que algo interessante aconteceria nesta estrutura, mas não sabíamos exatamente o quê, até testá-la”, diz o coautor Lu, pós-doutorado no grupo de Ju. “É a primeira vez que vimos uma ferro-valleytrônica e também a primeira vez que vimos uma coexistência de ferro-valleytrônica com ferro-ímãs não convencionais.”

A equipe mostrou que poderia controlar ambas as propriedades ferroicas usando um campo elétrico. Eles imaginam que, se os engenheiros puderem incorporar grafeno de cinco camadas ou materiais multiferróicos similares em um chip de memória, eles poderiam, em princípio, usar o mesmo campo elétrico de baixa potência para manipular os elétrons do material de duas maneiras, em vez de uma, e efetivamente o dobro dos dados que poderiam ser armazenados em um chip em comparação com multiferróicos convencionais. Embora essa visão esteja longe de ser concretizada na prática, os resultados da equipa abrem novos caminhos na procura de dispositivos electrónicos, magnéticos e Valleytronic melhores e mais eficientes.

Esta pesquisa foi feita, em parte, usando a instalação de litografia por feixe de elétrons administrada pelo MIT.nano e é financiada, em parte, pela National Science Foundation e pela Sloan Foundation.