Tecnologia Científica

A propriedade do grafeno recanãm-descoberta pode impactar a computação de próxima geração
Os pesquisadores e colegas do MIT descobriram uma importante - e inesperada - propriedade eletra´nica do grafeno, um material descoberto apenas cerca de 17 anos atrás que continua a surpreender os cientistas com sua física interessante.
Por Elizabeth A. Thomson - 04/02/2021


Representação arta­stica da estrutura nanosca³pica do novo material ferroelanãtrico desenvolvido por pesquisadores e colegas do MIT. Pontos azuis e dourados representam os a¡tomos de boro e nitreto em duas folhas atomicamente finas de nitreto de boro. Entre essas folhas estãoduas camadas de grafeno; os pontos esbranquia§ados / azuis representam a¡tomos de carbono. As linhas verticais douradas que percorrem a figura representam o movimento dos elanãtrons. Crédito: Ella Maru Studio

Os pesquisadores e colegas do MIT descobriram uma importante - e inesperada - propriedade eletra´nica do grafeno, um material descoberto apenas cerca de 17 anos atrás que continua a surpreender os cientistas com sua física interessante. O trabalho, que envolve estruturas compostas por camadas atomicamente finas de materiais que também são biocompata­veis, pode inaugurar novos paradigmas de processamento de informações mais rápidos. Uma aplicação potencial éna computação neuroma³rfica, que visa replicar as células neuronais do corpo responsa¡veis ​​por tudo, desde o comportamento atéas memórias.

O trabalho também apresenta uma nova física que os pesquisadores estãoansiosos para explorar.

"Heteroestruturas baseadas em grafeno continuam a produzir surpresas fascinantes. Nossa observação de ferroeletricidade não convencional neste sistema simples e ultrafino desafia muitas das suposições predominantes sobre sistemas ferroelanãtricos e pode abrir caminho para uma geração inteira de novos materiais ferroelanãtricos", diz Pablo Jarillo-Herrero, o Cecil e Ida Green Professor de Fa­sica no MIT e lider do trabalho, que envolveu uma colaboração com cinco outros professores do MIT de três departamentos.

Uma nova propriedade

O grafeno écomposto de uma única camada de a¡tomos de carbono dispostos em hexa¡gonos que se assemelham a uma estrutura em favo de mel. Desde a descoberta do material, os cientistas mostraram que diferentes configurações das camadas de grafeno podem dar origem a uma variedade de propriedades importantes. As estruturas baseadas em grafeno podem ser supercondutores, que conduzem eletricidade sem resistência, ou isolantes, que impedem o movimento da eletricidade. Eles atéforam encontrados para exibir magnetismo.

No trabalho atual, que foi relatado em dezembro passado na Nature , os pesquisadores e colegas do MIT mostram que o grafeno de duas camadas também pode ser ferroelanãtrico. Isso significa que cargas positivas e negativas no material podem se separar espontaneamente em diferentes camadas.

Na maioria dos materiais, cargas opostas são atraa­das uma pela outra; eles querem combinar. Somente a aplicação de um campo elanãtrico os forçara¡ a lados opostos, ou pa³los. Em um material ferroelanãtrico, nenhum campo elanãtrico externo énecessa¡rio para manter as cargas separadas, dando origem a uma polarização esponta¢nea. No entanto, a aplicação de um campo elanãtrico externo tem um efeito: um campo elanãtrico de direção oposta fara¡ com que as cargas mudem de lado e invertam a polarização.

Por todas essas razaµes, os materiais ferroelanãtricos são usados ​​em uma variedade de sistemas eletra´nicos, de ultrassons médicos a cartaµes de identificação por radiofrequência (RFID).
 
Os ferroelanãtricos convencionais, no entanto, são isolantes. O ferroelanãtrico da equipe liderada pelo MIT com base em grafeno opera por meio de um mecanismo completamente diferente - física diferente - que permite conduzir eletricidade. E isso abre uma infinidade de aplicativos adicionais. "O que descobrimos aqui éum novo tipo de material ferroelanãtrico", disse Zhiren (Isaac) Zheng, estudante de pós-graduação em física do MIT e primeiro autor do artigo da Nature.

Qiong Ma, MIT Ph.D. 2016, coautor do artigo e professor assistente do Boston College, coloca o trabalho em perspectiva. "Existem desafios associados aos ferroelanãtricos convencionais que as pessoas tem trabalhado para superar. Por exemplo, a fase ferroelanãtrica se torna insta¡vel a  medida que o dispositivo continua a ser miniaturizado. Com nosso material, alguns desses desafios podem ser resolvidos automaticamente." Ma conduziu o trabalho atual como pa³s-doutorado no Laborata³rio de Pesquisa de Materiais (MRL) do MIT.

Padrões Importantes

A estrutura que a equipe criou écomposta de duas camadas de grafeno - uma camada dupla - imprensada entre camadas atomicamente finas de nitreto de boro (BN) acima e abaixo. Cada camada BN estãoem um a¢ngulo ligeiramente diferente da outra. Olhando de cima, o resultado éum padrãoaºnico chamado superrede moiranã. Um padrãomoiranã, por sua vez, "pode ​​mudar dramaticamente as propriedades de um material", diz Zheng.

O grupo de Jarillo-Herrero demonstrou um importante exemplo disso em 2018. Nesse trabalho, também relatado na Nature , os pesquisadores empilharam duas camadas de grafeno. Essas camadas, no entanto, não estavam exatamente em cima umas das outras; em vez disso, um foi ligeiramente girado em um "a¢ngulo ma¡gico" de 1,1 graus. A estrutura resultante criou um padrãomoiréque, por sua vez, permitiu que o grafeno fosse um supercondutor ou um isolante, dependendo do número de elanãtrons no sistema fornecido por um campo elanãtrico. Essencialmente, a equipe foi capaz de "ajustar o grafeno para se comportar em dois extremos elanãtricos", de acordo com uma nota­cia do MIT na anãpoca.

“Então, ao criar essa estrutura moiranã, o grafeno não émais grafeno. Quase que magicamente se transforma em algo muito, muito diferente”, diz Ma.

No trabalho atual, os pesquisadores criaram um padrãomoirécom folhas de grafeno e nitreto de boro que resultou em uma nova forma de ferroeletricidade. A física envolvida no movimento dos elanãtrons atravanãs da estrutura édiferente da dos ferroelanãtricos convencionais.

"A ferroeletricidade demonstrada pelo grupo do MIT éfascinante", diz Philip Kim, professor de Fa­sica e Fa­sica Aplicada da Universidade de Harvard, que não esteve envolvido na pesquisa.

"Este trabalho éa primeira demonstração que relata ferroeletricidade eletra´nica pura, que exibe polarização de carga sem movimento ia´nico na rede subjacente. Esta descoberta surpreendente certamente convidara¡ a novos estudos que podem revelar fena´menos emergentes mais interessantes e fornecer uma oportunidade de utiliza¡-los para memória ultrarrápida formula¡rios."

Os pesquisadores pretendem continuar o trabalho não apenas demonstrando o potencial do novo material para uma variedade de aplicações, mas também desenvolvendo um melhor entendimento de sua física . “Ainda existem muitos mistanãrios que não entendemos totalmente e que são fundamentalmente muito intrigantes”, diz Ma.

 

.
.

Leia mais a seguir