Tecnologia Científica

Pesquisadores observam excitações coletivas interbandas em grafeno bicamada torcida
Embora muitos cientistas tenham começado recentemente a explorar seu potencial para supercondutividade e magnetismo, até agora, houve muito poucos estudos ópticos examinando-o.
Por Ingrid Fadelli - 29/10/2021


Visualização artística de excitações coletivas interband lançadas e propagadas em grafeno bicamada torcida. Crédito: Matteo Ceccanti.

O grafeno de duas camadas torcidas é um material bidimensional (2D) à base de carbono que compreende duas camadas de grafeno. Embora muitos cientistas tenham começado recentemente a explorar seu potencial para supercondutividade e magnetismo, até agora, houve muito poucos estudos ópticos examinando-o.

O grafeno de duas camadas torcidas pode exibir propriedades muito diferentes daquelas de camadas simples de grafeno, especialmente quando as duas camadas que o compõem são giradas em relação uma à outra por um pequeno ângulo, aproximadamente 1 grau. Investigar e sondar essas propriedades pode ser altamente valioso, pois pode, em última análise, aprimorar o entendimento atual da supercondutividade e facilitar seu uso para o desenvolvimento de novos dispositivos.

Pesquisadores do Instituto de Ciências Fotônicas de Barcelona e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), bem como de outros institutos em todo o mundo, realizaram recentemente um estudo com o objetivo de sondar as excitações coletivas de grafeno bicamada torcida a uma resolução espacial de 20 nm, usando uma técnica ótica conhecida como microscopia ótica de infravermelho médio de campo próximo. Seus esforços, delineados em um artigo publicado na Nature Physics , levaram à observação de excitações coletivas interband no material.

"Grafeno de duas camadas torcidas é interessante para experimentos ópticos, especialmente devido às bandas planas combinadas com a primeira banda de energia excitada que também é relativamente plana", disse Niels Hesp, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Como previsto em trabalhos teóricos anteriores, isso permite uma forte transição interband em energias infravermelhas, tornando-o acessível mesmo em temperatura ambiente. Nossos experimentos tiveram como objetivo estudar as excitações coletivas que são formadas a partir dessas transições ópticas."

A microscopia óptica de campo próximo é uma técnica avançada que pode ser usada para examinar as propriedades ópticas na superfície de um material a uma resolução de ~ 20 nm, que está muito abaixo do limite de difração, o ponto em que os sistemas ópticos começam a gerar imagens erradas de objetos (ou seja, , as imagens ficam desfocadas). Com esta técnica, a luz é acoplada a uma amostra por meio de uma ponta muito afiada, que também fornece o impulso necessário para lançar plasmons interband.

“Graças a uma longa colaboração com o grupo de Pablo Jarrillo-Herrero no MIT, tivemos acesso antecipado às suas amostras”, disse Hesp. "Na verdade, uma das amostras que eles fabricaram para nós em 2016 foi a primeira a mostrar o estado de isolamento de Mott. A primeira observação de plasmons interband em grafeno de dupla camada torcida foi uma surpresa durante a execução das medições, pois não tínhamos certeza do que esperar."
 
As medições ópticas reunidas por Hesp e seus colegas revelaram um modo de propagação de plasmon em grafeno de dupla camada torcida com carga neutra que é marcadamente diferente do plasmon intrabando observado no grafeno de camada única. Em seu artigo, a equipe sugere que este poderia ser um plasmon interband associado às transições ópticas entre minibandas originadas da estrutura de superrede moiré do material.

"Nosso trabalho mostra que o grafeno de bicamada torcida é igualmente interessante para estudos ópticos, especialmente porque é o primeiro sistema onde a propagação de plasmons entre bandas foi vista com um fator de qualidade razoável", disse Hesp. “Essa excitação ocorre mesmo em um estado não dopado, o que significa que nenhuma voltagem externa é necessária. Embora as aplicações do mundo real estejam muito à frente, ela constitui outro bloco de construção para o 'kit de ferramentas plasmonic,“ trabalhando em direção a circuitos ópticos integrados em nanoescala ”.

As observações fornecem novos insights valiosos sobre as propriedades distintas do promissor material supercondutor de grafeno de dupla camada torcida . No futuro, o seu trabalho poderá assim contribuir para o desenvolvimento de vários novos dispositivos ópticos e circuitos integrados.

"Como as estruturas torcidas de grafeno formam uma classe de materiais que hospedam muitos fenômenos fascinantes, basicamente apenas começamos a jornada", disse o Prof. Koppens, o líder do estudo. “Agora pretendemos acessar os estados correlacionados em temperaturas criogênicas com óptica. Para isso, instalamos um novo tipo de microscópio de campo próximo que pode operar até 5K, no qual estudamos a interação da luz com os elétrons em forte interação. Esta técnica acaba sendo muito sensível às propriedades eletrônicas do TBG e pode potencialmente apontar para os mecanismos físicos dos fenômenos supercondutores e magnéticos. "

 

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