Os físicos do MIT transformaram metaforicamente grafite em ouro, isolando cinco flocos ultrafinos empilhados em uma ordem específica. O material resultante pode então ser ajustado para exibir três propriedades importantes nunca antes vistas na grafite natural.

“É como se fosse um balcão único”, diz Long Ju, professor assistente do Departamento de Física e líder do trabalho, publicado na edição de 5 de outubro da Nature Nanotechnology . “A natureza tem muitas surpresas. Neste caso, nunca percebemos que todas essas coisas interessantes estão incorporadas no grafite.”

Além disso, ele diz: “É muito raro encontrar materiais que possam hospedar tantas propriedades”.

A grafite é composta de grafeno, que é uma única camada de átomos de carbono dispostos em hexágonos que lembram uma estrutura em favo de mel. O grafeno, por sua vez, tem sido foco de intensas pesquisas desde que foi isolado pela primeira vez, há cerca de 20 anos. Mais recentemente, há cerca de cinco anos, investigadores, incluindo uma equipa do MIT, descobriram que empilhar folhas individuais de grafeno e torcê-las num ligeiro ângulo entre si pode conferir novas propriedades ao material, desde a supercondutividade ao magnetismo. O campo da “twistronics” nasceu.

No trabalho atual, “descobrimos propriedades interessantes sem nenhuma torção”, diz Ju, que também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais.

Ele e seus colegas descobriram que cinco camadas de grafeno dispostas em uma determinada ordem permitem que os elétrons que se movem dentro do material conversem entre si. Esse fenômeno, conhecido como correlação eletrônica, “é a mágica que torna possíveis todas essas novas propriedades”, diz Ju.

Grafite em massa – e até mesmo folhas únicas de grafeno – são bons condutores elétricos, mas é isso. O material isolado por Ju e colegas, que eles chamam de grafeno empilhado romboédrico pentacamada, torna-se muito mais do que a soma de suas partes.

A chave para isolar o material foi um novo microscópio que Ju construiu no MIT em 2021, que pode determinar de forma rápida e relativamente barata uma variedade de características importantes de um material em nanoescala. O grafeno empilhado romboédrico de pentacamada tem apenas alguns bilionésimos de metro de espessura.

Cientistas, incluindo Ju, procuravam grafeno multicamadas empilhado em uma ordem muito precisa, conhecida como empilhamento romboédrico. Diz Ju, “existem mais de 10 ordens de empilhamento possíveis quando você passa para cinco camadas. O romboédrico é apenas um deles.” O microscópio construído por Ju, conhecido como Microscopia Óptica de Campo Próximo de Varredura do Tipo Dispersão, ou s-SNOM, permitiu aos cientistas identificar e isolar apenas as pentacamadas na ordem de empilhamento romboédrica na qual estavam interessados.

A partir daí, a equipe anexou eletrodos a um pequeno sanduíche composto de “pão” de nitreto de boro que protege a delicada “carne” do grafeno empilhado romboédrico em pentacamada. Os eletrodos permitiram sintonizar o sistema com diferentes tensões ou quantidades de eletricidade. O resultado: Eles descobriram o surgimento de três fenômenos diferentes dependendo do número de elétrons que inundam o sistema.

“Descobrimos que o material pode ser isolante, magnético ou topológico”, diz Ju. Este último está relacionado tanto com condutores quanto com isoladores. Essencialmente, explica Ju, um material topológico permite o movimento desimpedido dos elétrons ao redor das bordas de um material, mas não através do meio. Os elétrons viajam em uma direção ao longo de uma “rodovia” na borda do material separada por uma mediana que constitui o centro do material. Portanto, a borda de um material topológico é um condutor perfeito, enquanto o centro é um isolante.

“Nosso trabalho estabelece o grafeno multicamadas empilhado romboédrico como uma plataforma altamente ajustável para estudar essas novas possibilidades de física topológica e fortemente correlacionada”, concluem Ju e seus coautores na Nature Nanotechnology .

Além de Ju, os autores do artigo são Tonghang Han e Zhengguang Lu. Han é estudante de pós-graduação no Departamento de Física; Lu é pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa de Materiais. Os dois são coautores do artigo.

Outros autores são Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang e Hongkun Park da Universidade de Harvard; Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão; e Tianyi Han, do Departamento de Física do MIT.

Este trabalho foi apoiado por uma bolsa Sloan; a Fundação Nacional de Ciência dos EUA; o Escritório do Subsecretário de Defesa para Pesquisa e Engenharia dos EUA; a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência KAKENHI; a Primeira Iniciativa Internacional de Pesquisa Mundial do Japão; e o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.