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."

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."