Tecnologia Científica

Pesquisadores observam excitações coletivas interbandas em grafeno bicamada torcida
Embora muitos cientistas tenham comea§ado recentemente a explorar seu potencial para supercondutividade e magnetismo, atéagora, houve muito poucos estudos a³pticos examinando-o.
Por Ingrid Fadelli - 29/10/2021


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

O grafeno de duas camadas torcidas éum material bidimensional (2D) a  base de carbono que compreende duas camadas de grafeno. Embora muitos cientistas tenham comea§ado recentemente a explorar seu potencial para supercondutividade e magnetismo, atéagora, houve muito poucos estudos a³pticos 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 a  outra por um pequeno a¢ngulo, 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 Fota´nicas 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 a³tica conhecida como microscopia a³tica de infravermelho manãdio de campo pra³ximo. Seus esforços, delineados em um artigo publicado na Nature Physics , levaram a  observação de excitações coletivas interband no material.

"Grafeno de duas camadas torcidas éinteressante para experimentos a³pticos, especialmente devido a s bandas planas combinadas com a primeira banda de energia excitada que também érelativamente 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 acessa­vel mesmo em temperatura ambiente. Nossos experimentos tiveram como objetivo estudar as excitações coletivas que são formadas a partir dessas transições a³pticas."

A microscopia a³ptica de campo pra³ximo éuma técnica avana§ada que pode ser usada para examinar as propriedades a³pticas nasuperfÍcie de um material a uma resolução de ~ 20 nm, que estãomuito abaixo do limite de difração, o ponto em que os sistemas a³pticos comea§am a gerar imagens erradas de objetos (ou seja, , as imagens ficam desfocadas). Com esta técnica, a luz éacoplada a uma amostra por meio de uma ponta muito afiada, que também fornece o impulso necessa¡rio para lana§ar plasmons interband.

“Graças a uma longa colaboração com o grupo de Pablo Jarrillo-Herrero no MIT, tivemos acesso antecipado a s suas amostras”, disse Hesp. "Na verdade, uma das amostras que eles fabricaram para nosem 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 ta­nhamos certeza do que esperar."
 
As medições a³pticas reunidas por Hesp e seus colegas revelaram um modo de propagação de plasmon em grafeno de dupla camada torcida com carga neutra que émarcadamente diferente do plasmon intrabando observado no grafeno de camada única. Em seu artigo, a equipe sugere que este poderia ser um plasmon interband associado a s transições a³pticas entre minibandas originadas da estrutura de superrede moirédo material.

"Nosso trabalho mostra que o grafeno de bicamada torcida éigualmente interessante para estudos a³pticos, especialmente porque éo primeiro sistema onde a propagação de plasmons entre bandas foi vista com um fator de qualidade razoa¡vel", disse Hesp. “Essa excitação ocorre mesmo em um estado não dopado, o que significa que nenhuma voltagem externa énecessa¡ria. Embora as aplicações do mundo real estejam muito a  frente, ela constitui outro bloco de construção para o 'kit de ferramentas plasmonic,“ trabalhando em direção a circuitos a³pticos 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 podera¡ assim contribuir para o desenvolvimento de vários novos dispositivos a³pticos e circuitos integrados.

"Como as estruturas torcidas de grafeno formam uma classe de materiais que hospedam muitos fena´menos fascinantes, basicamente apenas comea§amos a jornada", disse o Prof. Koppens, o lider do estudo. “Agora pretendemos acessar os estados correlacionados em temperaturas criogaªnicas com a³ptica. Para isso, instalamos um novo tipo de microsca³pio de campo pra³ximo que pode operar até5K, no qual estudamos a interação da luz com os elanãtrons em forte interação. Esta técnica acaba sendo muitosensívela s propriedades eletra´nicas do TBG e pode potencialmente apontar para os mecanismos fa­sicos dos fena´menos supercondutores e magnanãticos. "

 

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