Um material composto por duas camadas de carbono com um a¡tomo de espessura chamou a atenção dos fa­sicos em todo o mundo por suas propriedades condutoras intrigantes e potencialmente explora¡veis.

O Dr. Fan Zhang, professor assistente de física na Escola de Ciências Naturais e Matema¡tica da Universidade do Texas em Dallas, e o estudante de doutorado em física Qiyue Wang publicaram um artigo em junho com o grupo do Dr. Fengnian Xia na Universidade de Yale na Nature Photonics, que descreve como a capacidade do grafeno bicamada trana§ado para conduzir a corrente elanãtrica muda em resposta a  luz infravermelha média.

O grafeno éuma camada única de a¡tomos de carbono disposta em um padrãoplano de favo de mel, em que cada hexa¡gono éformado por seis a¡tomos de carbono em seus vanãrtices. Desde o primeiro isolamento do grafeno em 2004, suas propriedades exclusivas foram intensamente estudadas pelos cientistas para uso potencial em computadores, materiais e dispositivos avana§ados.

Se duas folhas de grafeno são empilhadas umas sobre as outras e uma camada égirada para que as camadas fiquem ligeiramente desalinhadas, a configuração física resultante, chamada grafeno de bicamada trana§ada, gera propriedades eletra´nicas que diferem significativamente daquelas exibidas por uma única camada sozinha ou por duas camadas alinhadas.

"O grafeno éde interesse hácerca de 15 anos", disse Zhang. "a‰ interessante estudar uma única camada, mas se tivermos duas, a interação delas deve tornar a física muito mais rica e interessante. a‰ por isso que queremos estudar os sistemas de grafeno de duas camadas".

Quando as camadas de grafeno estãodesalinhadas, surge um novo design peria³dico na malha, chamado padrãomoiranã. O padrãomoirétambém éum hexa¡gono, mas pode ser composto por mais de 10.000 a¡tomos de carbono.

"O a¢ngulo no qual as duas camadas de grafeno estãodesalinhadas - o a¢ngulo de torção - éextremamente importante para as propriedades eletra´nicas do material", disse Wang. "Quanto menor o a¢ngulo de torção, maior a periodicidade do moiranã."

Os efeitos incomuns de a¢ngulos de torção específicos no comportamento dos elanãtrons foram propostos pela primeira vez em um artigo de 2011 pelo Dr. Allan MacDonald, professor de física da UT Austin, e pelo Dr. Rafi Bistritzer. Zhang testemunhou o nascimento desse campo como estudante de doutorado no grupo de MacDonald.

"Naquela anãpoca, outros realmente não prestaram atenção a  teoria, mas agora ela se tornou indiscutivelmente o ta³pico mais quente da física", disse Zhang.

Na pesquisa de 2011, MacDonald e Bistritzer previram que a energia cinanãtica dos elanãtrons pode desaparecer em uma bicamada de grafeno desalinhada pelo chamado "a¢ngulo ma¡gico" de 1,1 graus. Em 2018, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts comprovaram essa teoria, descobrindo que a compensação de duas camadas de grafeno em 1,1 graus produzia um supercondutor bidimensional, um material que conduz corrente elanãtrica sem resistência e sem perda de energia.

Esta animação mostra o que acontece quando duas camadas empilhadas de grafeno são desalinhadas por uma pequena quantidade chamada a¢ngulo de torção. Um novo design peria³dico na malha emerge, chamado padrãomoiranã. Os fa­sicos da UT Dallas estãoinvestigando como o a¢ngulo de torção afeta as propriedades eletra´nicas desse grafeno bicamada torcido. Crédito: Universidade do Texas em Dallas

Em um artigo de 2019 na Science Advances, Zhang e Wang, juntamente com o grupo da Dra. Jeanie Lau na Ohio State University, mostraram que, quando compensados ​​em 0,93 graus, o grafeno bicamada torcido exibe estados supercondutores e isolantes, ampliando assim significativamente o a¢ngulo ma¡gico.

"Em nosso trabalho anterior, vimos supercondutividade e isolamento. a‰ isso que torna o estudo do grafeno de bicamada trana§ada um campo tão quente - supercondutividade. O fato de vocêpoder manipular carbono puro em supercondutor éincra­vel e sem precedentes", disse Wang.

Em sua pesquisa mais recente na Nature Photonics, Zhang e seus colaboradores em Yale investigaram se e como o grafeno bicamada trana§ado interage com a luz infravermelha, que os humanos não podem ver, mas podem detectar como calor.

"As interações entre luz e matéria são aºteis em muitos dispositivos - por exemplo, na conversão da luz solar em energia elanãtrica", disse Wang. "Quase todo objeto emite luz infravermelha, incluindo pessoas, e essa luz pode ser detectada com dispositivos".

Zhang éum fa­sico tea³rico, então ele e Wang decidiram determinar como a luz infravermelha média poderia afetar a conduta¢ncia dos elanãtrons no grafeno bicamada trana§ado. Seu trabalho envolveu o ca¡lculo da absorção de luz com base na estrutura de banda do padrãomoiranã, um conceito que determina como os elanãtrons se movem mecanicamente em um quantum material.

"O grafeno éinteressante hácerca de 15 anos. Uma camada única éinteressante de estudar, mas se tivermos duas camadas, sua interação deve tornar a física muito mais rica e interessante. a‰ por isso que queremos estudar os sistemas de grafeno de duas camadas", ele diz.

"Existem maneiras padronizadas de calcular a estrutura da banda e a absorção de luz em um cristal comum, mas este éum cristal artificial, então tivemos que criar um novo manãtodo", disse Wang. Usando recursos do Texas Advanced Computing Center, uma instalação de supercomputadores no campus da UT Austin, Wang calculou a estrutura da banda e mostrou como o material absorve a luz.

O grupo Yale fabricou dispositivos e realizou experimentos mostrando que a resposta fotogra¡fica no infravermelho manãdio - o aumento da conduta¢ncia devido ao brilho da luz - era incomumente forte e maior no a¢ngulo de torção de 1,8 graus. A forte resposta fotogra¡fica desapareceu para um a¢ngulo de torção menor que 0,5 graus.

"Nossos resultados teóricos não apenas combinaram bem com as descobertas experimentais, mas também apontaram para um mecanismo que estãofundamentalmente conectado ao período do padrãomoiranã, que estãoconectado ao a¢ngulo de torção entre as duas camadas de grafeno", disse Zhang.

"O a¢ngulo de torção éclaramente muito importante na determinação das propriedades do grafeno de bicamada trana§ada", acrescentou Zhang. "Surge a pergunta: podemos aplicar isso para ajustar outros materiais bidimensionais para obter recursos sem precedentes? Além disso, podemos combinar a resposta fotogra¡fica e a supercondutividade no grafeno bicamada trana§ado ? Por exemplo, pode acender uma luz induzir ou de alguma forma modular a supercondutividade? Isso serámuito interessante estudar ".

"Esta nova inovação potencialmente permitira¡ uma nova classe de detectores de infravermelho baseados em grafeno com alta sensibilidade", disse o Dr. Joe Qiu, gerente de programa de eletra´nicos e eletromagnanãticos de estado sãolido no Gabinete de Pesquisa do Exanãrcito dos EUA (ARO), um elemento do Laborata³rio de Pesquisa do Exanãrcito do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exanãrcito dos EUA. "Esses novos detectores impactara£o potencialmente aplicações como a visão noturna, que éde importa¢ncia cra­tica para o Exanãrcito dos EUA".