Explorando bandas topológicas do grafeno em estruturas super-moiré

Num novo estudo, cientistas de Singapura e Espanha apresentaram um novo caminho para explorar a física exótica do grafeno. Eles se concentram nas interações eletrônicas do grafeno quando ele está inserido em uma estrutura de três camadas que fornece uma plataforma para explorar configurações únicas de bandas eletrônicas.

O grafeno é uma folha 2D de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal (arranjo) que demonstra propriedades como alta condutividade elétrica, resistência mecânica e flexibilidade. Isto despertou o interesse dos cientistas como um candidato promissor para aplicações eletrônicas.

No entanto, muito pouco tem sido estudado sobre as propriedades eletrônicas do grafeno monocamada.

Neste novo Cartas de revisão física No estudo, os pesquisadores se concentraram em estudar essas propriedades imprensando o grafeno entre duas camadas de nitreto de boro.

O trabalho fez parte do doutorado do primeiro autor, Mohammed M. Al Ezzi. na Universidade Nacional de Cingapura (NUS), que agora trabalha como pós-doutorado com o Prof. Shaffique Adam na NUS.

Potenciais, padrões e redes de Moiré

Na ciência dos materiais, diferentes camadas de materiais são empilhadas umas sobre as outras para criar uma nova estrutura conhecida como estrutura moiré. Essas camadas ficam desalinhadas levando à formação de um padrão moiré.

Estas camadas interagem entre si através de diversas forças, neste caso, através de forças de van der Waal. Isso leva a variações na energia potencial experimentada pelo elétron dentro do material (grafeno ou nitreto de boro), conhecido como potencial moiré.

Assim, o potencial moiré surge da interferência entre os arranjos atômicos dos dois materiais, resultando em uma modulação periódica da energia potencial dentro da camada de grafeno.

Este potencial moiré desempenha um papel crucial na influência das propriedades eletrônicas do material e pode levar ao surgimento de fenômenos únicos, como bandas planas e estados topológicos.

Três camadas e bandas topológicas

Os pesquisadores propõem uma estrutura de três camadas, com a camada de grafeno no meio para induzir bandas topológicas. A estrutura resultante é conhecida como estrutura super-moiré.

É chamada de estrutura super-moiré porque existem duas estruturas moiré distintas, dos substratos superior e inferior de nitreto de boro. Isto dá origem a alguma física exótica, ou seja, física não convencional.

O professor Adam explicou: “Ao situar o grafeno entre os substratos de nitreto de boro e ajustar o alinhamento para ângulos de torção específicos, podemos induzir bandas planas topológicas no espectro de energia do grafeno. Essas bandas planas, por sua vez, provavelmente hospedam estados de elétrons robustos e fortemente correlacionados.”

As bandas topológicas são um estado eletrônico único em um material que possui propriedades especiais devido à sua estrutura incomum. Eles representam um afastamento dos estados eletrônicos convencionais, como condutores ou isolantes.

Para seu trabalho, os pesquisadores especificaram ângulos de torção de 0 graus para a camada inferior de nitreto de boro e cerca de 0,6 graus para a camada superior de nitreto de boro. Esses ângulos representam a quantidade de rotação aplicada às camadas em relação às suas orientações originais.

O modelo dos pesquisadores para a estrutura de três camadas mostrou a existência de uma banda plana topológica como resultado do potencial moiré.

Estas bandas planas representam níveis de energia planos, o que significa que a energia dos electrões dentro destas bandas não muda muito à medida que o seu momento varia (pense nisso como caminhar através de um planalto).

Física correlacionada e generalização

A questão que surge agora é: Qual é o significado destas bandas planas topológicas?

A existência destas bandas planas é uma propriedade única e pode ser usada para aproveitar diferentes propriedades eletrônicas e, portanto, aplicações eletrônicas únicas.

Por exemplo, os isoladores topológicos comportam-se como isolantes em sua massa, mas conduzem eletricidade ao longo de sua superfície ou bordas.

Os pesquisadores acreditam que essas bandas planas topológicas para o grafeno monocamada poderiam dar origem à física correlacionada, na qual os elétrons se comportam como uma unidade coletiva (por meio de interações coulombianas), dando origem a novos estados eletrônicos, como supercondutividade, magnetismo e fases isolantes.

O professor Adam explicou: “Vários sistemas moiré feitos de múltiplas folhas de grafeno monocamadas mostraram o surgimento de física correlacionada e bandas planas. No entanto, atualmente não há uma compreensão unificada do surgimento de bandas planas e física correlacionada nesses diferentes sistemas moiré.”

“Uma maneira de ter uma compreensão unificada do surgimento de bandas planas e da física correlacionada em todos os diferentes sistemas moiré baseados em grafeno é estudar bandas planas em uma única folha de monocamada. Estudar uma única monocamada de grafeno pode nos dizer os ingredientes mínimos para mostrar bandas planas e fases correlacionadas.”

Os pesquisadores também demonstraram generalização estendendo suas descobertas à configuração de bicamada e tricamada de grafeno, mostrando potencial para supercondutividade.

Eles mostraram ainda que essas bandas planas topológicas eram extremamente estáveis, indicando sua robustez e confiabilidade no suporte à física correlacionada.

Preservando qualidade e transistores topológicos

Existem vários outros métodos para induzir essas fortes interações eletrônicas que dão origem à física correlacionada. Porém, alguns deles podem afetar a própria qualidade do grafeno.

“Um método comum para induzir fortes interações eletrônicas no grafeno envolve deformação mecânica. No entanto, esta abordagem muitas vezes compromete a qualidade do grafeno e apresenta desafios no controle.”

“Nosso método promove interações eletrônicas mais fortes, induzindo bandas planas enquanto preserva as propriedades intrínsecas de alta qualidade do grafeno”, disse o Prof.

Os pesquisadores já estão envolvidos com uma empresa chamada FLEET, que está desenvolvendo transistores topológicos e esperam que seu trabalho com bandas planas topológicas possa ajudar a realizar novos dispositivos.

As descobertas são estimulantes para o desenvolvimento de novos eletrônicos baseados em grafeno e também para promover a compreensão da física da matéria condensada e da física exótica.

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