Em pesquisa publicada na revista Science , a equipe mostrou que, ao induzir um fena´meno conhecido como acoplamento spin-a³rbita , o grafeno de a¢ngulo ma¡gico se torna um poderoso ferromagneto.

Quando camadas de grafeno de "a¢ngulo ma¡gico" (embaixo) entram em contato com camadas de certos metais de transição, isso induz um fena´meno chamado acoplamento spin-a³rbita nas camadas de grafeno. Esse fena´meno da¡ origem a uma física surpreendente, incluindo o ferromagnetismo. Crédito: Li Lab / Brown University
Quando duas folhas de grafeno de nanomaterial de carbono são empilhadas juntas em um a¢ngulo particular em relação uma a outra, isso da¡ origem a uma física fascinante. Por exemplo, quando este chamado "grafeno de a¢ngulo ma¡gico" éresfriado atéquase zero absoluto, ele repentinamente se torna um supercondutor, o que significa que conduz eletricidade com resistência zero.
Agora, uma equipe de pesquisa da Brown University descobriu um novo fena´meno surpreendente que pode surgir no grafeno do a¢ngulo ma¡gico. Em pesquisa publicada na revista Science , a equipe mostrou que, ao induzir um fena´meno conhecido como acoplamento spin-a³rbita , o grafeno de a¢ngulo ma¡gico se torna um poderoso ferromagneto.
"O magnetismo e a supercondutividade geralmente estãoem extremos opostos do espectro na física da matéria condensada, e éraro que aparea§am na mesma plataforma de material", disse Jia Li, professor assistente de física na Brown e autor saªnior da pesquisa. "Ainda assim, mostramos que podemos criar magnetismo em um sistema que originalmente hospeda a supercondutividade. Isso nos da¡ uma nova maneira de estudar a interação entre a supercondutividade e o magnetismo e oferece novas possibilidades interessantes para a pesquisa da ciência qua¢ntica."
O grafeno do a¢ngulo ma¡gico causou um grande rebulia§o na física nos últimos anos. O grafeno éum material bidimensional feito de a¡tomos de carbono dispostos em um padrãosemelhante a um favo de mel. Folhas simples de grafeno são interessantes por si mesmas - exibindo nota¡vel resistência do material e conduta¢ncia elanãtrica extremamente eficiente. Mas as coisas ficam ainda mais interessantes quando as folhas de grafeno são empilhadas. Os elanãtrons comea§am a interagir não apenas com outros elanãtrons dentro de uma folha de grafeno, mas também com aqueles da folha adjacente. Mudar o a¢ngulo das folhas em relação umas a s outras muda essas interações, dando origem a fena´menos qua¢nticos interessantes como a supercondutividade.
Esta nova pesquisa adiciona uma nova ruga - acoplamento spin-a³rbita - a este sistema já interessante. O acoplamento spin-a³rbita éum estado de comportamento do elanãtron em certos materiais em que o spin de cada elanãtron - seu minaºsculo momento magnético que aponta para cima ou para baixo - fica ligado a sua a³rbita em torno do núcleo ata´mico.
"Sabemos que o acoplamento spin-a³rbita da¡ origem a uma ampla gama de fena´menos qua¢nticos interessantes, mas normalmente não estãopresente no grafeno de a¢ngulo ma¡gico", disse Jiang-Xiazi Lin, pesquisador de pa³s-doutorado na Brown e principal autor do estudo. "Queraamos introduzir o acoplamento spin-a³rbita e, em seguida, ver o efeito que isso teve no sistema."
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Para fazer isso, Li e sua equipe criaram uma interface entre o grafeno de a¢ngulo ma¡gico e um bloco de disseleneto de tungstaªnio, um material que possui forte acoplamento spin-a³rbita. O alinhamento da pilha induz precisamente o acoplamento spin-a³rbita no grafeno. A partir daa, a equipe sondou o sistema com correntes elanãtricas externas e campos magnanãticos.
Os experimentos mostraram que uma corrente elanãtrica fluindo em uma direção atravanãs do material na presença de um campo magnético externo produz uma voltagem na direção perpendicular a corrente. Essa voltagem, conhecida como efeito Hall, éa assinatura reveladora de um campo magnético intranseco no material.
Para a surpresa da equipe de pesquisa, eles mostraram que o estado magnético pode ser controlado usando um campo magnético externo, que éorientado no plano do grafeno ou fora do plano. Isso estãoem contraste com materiais magnanãticos sem acoplamento spin-a³rbita, onde o magnetismo intranseco pode ser controlado apenas quando o campo magnético externo estãoalinhado ao longo da direção do magnetismo.
"Esta observação éuma indicação de que o acoplamento spin-a³rbita estãorealmente presente e forneceu a pista para a construção de um modelo tea³rico para entender a influaªncia da interface atômica", disse Yahui Zhang, um fasico tea³rico da Universidade de Harvard que trabalhou com a equipe da Brown para compreender a física associada ao magnetismo observado.
"A influaªncia única do acoplamento spin-a³rbita da¡ aos cientistas um novo botão experimental para girar no esfora§o de entender o comportamento do grafeno do a¢ngulo ma¡gico", disse Erin Morrissette, estudante de graduação em Brown que realizou parte do trabalho experimental. "As descobertas também tem potencial para novos aplicativos de dispositivos."
Uma possível aplicação estãona memória do computador. A equipe descobriu que as propriedades magnanãticas do grafeno de a¢ngulo ma¡gico podem ser controladas com campos magnanãticos externos e campos elanãtricos. Isso tornaria este sistema bidimensional um candidato ideal para um dispositivo de memória magnanãtica com opções flexaveis de leitura / gravação.
Outra aplicação potencial éa computação qua¢ntica, dizem os pesquisadores. Uma interface entre um ferromagneto e um supercondutor foi proposta como um bloco de construção potencial para computadores qua¢nticos. O problema, entretanto, éque essa interface édifacil de criar porque os ama£s geralmente são destrutivos para a supercondutividade. Mas um material que écapaz de ferromagnetismo e supercondutividade pode fornecer uma maneira de criar essa interface.
"Estamos trabalhando no uso da interface atômica para estabilizar a supercondutividade e o ferromagnetismo ao mesmo tempo", disse Li. "A coexistaªncia desses dois fena´menos érara na física e certamente ira¡ desbloquear mais emoção."