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Surpresa magnética revelada em grafeno 'ângulo mágico'
Em pesquisa publicada na revista Science , a equipe mostrou que, ao induzir um fenômeno conhecido como acoplamento spin-órbita , o grafeno de ângulo mágico se torna um poderoso ferromagneto.
Por Kevin Stacey - 07/01/2022


Quando camadas de grafeno de "ângulo mágico" (embaixo) entram em contato com camadas de certos metais de transição, isso induz um fenômeno chamado acoplamento spin-órbita nas camadas de grafeno. Esse fenômeno dá 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 ângulo particular em relação uma à outra, isso dá origem a uma física fascinante. Por exemplo, quando este chamado "grafeno de ângulo mágico" é resfriado até quase 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 fenômeno surpreendente que pode surgir no grafeno do ângulo mágico. Em pesquisa publicada na revista Science , a equipe mostrou que, ao induzir um fenômeno conhecido como acoplamento spin-órbita , o grafeno de ângulo mágico se torna um poderoso ferromagneto.

"O magnetismo e a supercondutividade geralmente estão em extremos opostos do espectro na física da matéria condensada, e é raro que apareçam na mesma plataforma de material", disse Jia Li, professor assistente de física na Brown e autor sênior da pesquisa. "Ainda assim, mostramos que podemos criar magnetismo em um sistema que originalmente hospeda a supercondutividade. Isso nos dá uma nova maneira de estudar a interação entre a supercondutividade e o magnetismo e oferece novas possibilidades interessantes para a pesquisa da ciência quântica."

O grafeno do ângulo mágico causou um grande rebuliço na física nos últimos anos. O grafeno é um material bidimensional feito de átomos de carbono dispostos em um padrão semelhante a um favo de mel. Folhas simples de grafeno são interessantes por si mesmas - exibindo notável resistência do material e condutância elétrica extremamente eficiente. Mas as coisas ficam ainda mais interessantes quando as folhas de grafeno são empilhadas. Os elétrons começam a interagir não apenas com outros elétrons dentro de uma folha de grafeno, mas também com aqueles da folha adjacente. Mudar o ângulo das folhas em relação umas às outras muda essas interações, dando origem a fenômenos quânticos interessantes como a supercondutividade.

Esta nova pesquisa adiciona uma nova ruga - acoplamento spin-órbita - a este sistema já interessante. O acoplamento spin-órbita é um estado de comportamento do elétron em certos materiais em que o spin de cada elétron - seu minúsculo momento magnético que aponta para cima ou para baixo - fica ligado à sua órbita em torno do núcleo atômico.

"Sabemos que o acoplamento spin-órbita dá origem a uma ampla gama de fenômenos quânticos interessantes, mas normalmente não está presente no grafeno de ângulo mágico", disse Jiang-Xiazi Lin, pesquisador de pós-doutorado na Brown e principal autor do estudo. "Queríamos introduzir o acoplamento spin-órbita e, em seguida, ver o efeito que isso teve no sistema."
 
Para fazer isso, Li e sua equipe criaram uma interface entre o grafeno de ângulo mágico e um bloco de disseleneto de tungstênio, um material que possui forte acoplamento spin-órbita. O alinhamento da pilha induz precisamente o acoplamento spin-órbita no grafeno. A partir daí, a equipe sondou o sistema com correntes elétricas externas e campos magnéticos.

Os experimentos mostraram que uma corrente elétrica fluindo em uma direção através do material na presença de um campo magnético externo produz uma voltagem na direção perpendicular à corrente. Essa voltagem, conhecida como efeito Hall, é a assinatura reveladora de um campo magnético intrínseco no material.

Para a surpresa da equipe de pesquisa, eles mostraram que o estado magnético pode ser controlado usando um campo magnético externo, que é orientado no plano do grafeno ou fora do plano. Isso está em contraste com materiais magnéticos sem acoplamento spin-órbita, onde o magnetismo intrínseco pode ser controlado apenas quando o campo magnético externo está alinhado ao longo da direção do magnetismo.

"Esta observação é uma indicação de que o acoplamento spin-órbita está realmente presente e forneceu a pista para a construção de um modelo teórico para entender a influência da interface atômica", disse Yahui Zhang, um físico teórico da Universidade de Harvard que trabalhou com a equipe da Brown para compreender a física associada ao magnetismo observado.

"A influência única do acoplamento spin-órbita dá aos cientistas um novo botão experimental para girar no esforço de entender o comportamento do grafeno do ângulo mágico", disse Erin Morrissette, estudante de graduação em Brown que realizou parte do trabalho experimental. "As descobertas também têm potencial para novos aplicativos de dispositivos."

Uma possível aplicação está na memória do computador. A equipe descobriu que as propriedades magnéticas do grafeno de ângulo mágico podem ser controladas com campos magnéticos externos e campos elétricos. Isso tornaria este sistema bidimensional um candidato ideal para um dispositivo de memória magnética com opções flexíveis de leitura / gravação.

Outra aplicação potencial é a computação quântica, dizem os pesquisadores. Uma interface entre um ferromagneto e um supercondutor foi proposta como um bloco de construção potencial para computadores quânticos. O problema, entretanto, é que essa interface é difícil de criar porque os ímãs geralmente são destrutivos para a supercondutividade. Mas um material que é capaz 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 coexistência desses dois fenômenos é rara na física e certamente irá desbloquear mais emoção."

 

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