Com algumas torções e empilhamentos cuidadosos, os físicos do MIT revelaram uma propriedade nova e exótica no grafeno de “ângulo mágico”: a supercondutividade que pode ser ligada e desligada com um pulso elétrico, muito parecido com um interruptor de luz.
A descoberta pode levar a transistores supercondutores ultrarrápidos e energeticamente eficientes para dispositivos neuromórficos – eletrônicos projetados para operar de maneira semelhante ao rápido disparo liga/desliga de neurônios no cérebro humano.
O grafeno de ângulo mágico refere-se a um empilhamento muito particular de grafeno – um material fino como um átomo feito de átomos de carbono que estão ligados em um padrão hexagonal semelhante ao arame de galinha. Quando uma folha de grafeno é empilhada sobre uma segunda folha em um ângulo “mágico” preciso, a estrutura torcida cria um padrão “moiré” ligeiramente deslocado, ou superlattice, que é capaz de suportar uma série de comportamentos eletrônicos surpreendentes.
Em 2018, Pablo Jarillo-Herrero e seu grupo no MIT foram os primeiros a demonstrar grafeno de bicamada torcido em ângulo mágico. Eles mostraram que a nova estrutura de bicamada poderia se comportar como um isolante, muito parecido com a madeira, quando aplicado um certo campo elétrico contínuo. Quando eles aumentaram o campo, o isolador de repente se transformou em um supercondutor, permitindo que os elétrons fluíssem sem atrito.
Essa descoberta deu origem à “twistronics”, um campo que explora como certas propriedades eletrônicas emergem da torção e camadas de materiais bidimensionais. Pesquisadores, incluindo Jarillo-Herrero, continuaram a revelar propriedades surpreendentes no grafeno de ângulo mágico, incluindo várias maneiras de alternar o material entre diferentes estados eletrônicos. Até agora, esses “interruptores” agiram mais como dimmers, pois os pesquisadores devem aplicar continuamente um campo elétrico ou magnético para ativar a supercondutividade e mantê-la ligada.
Agora Jarillo-Herrero e sua equipe mostraram que a supercondutividade no grafeno de ângulo mágico pode ser ativada e mantida com apenas um pulso curto, em vez de um campo elétrico contínuo. A chave, eles descobriram, era uma combinação de torcer e empilhar.
Em um artigo publicado hoje em Natureza Nanotecnologiaa equipe relata que, ao empilhar grafeno de ângulo mágico entre duas camadas compensadas de nitreto de boro – um material isolante bidimensional – o alinhamento exclusivo da estrutura sanduíche permitiu aos pesquisadores ligar e desligar a supercondutividade do grafeno com um curto circuito elétrico. pulso.
“Para a grande maioria dos materiais, se você remover o campo elétrico, zzzzip, o estado elétrico desaparece”, diz Jarillo-Herrero, que é o Cecil e Ida Green Professor de Física no MIT. “Esta é a primeira vez que foi feito um material supercondutor que pode ser ligado e desligado eletricamente, abruptamente. Isso pode abrir caminho para uma nova geração de componentes eletrônicos supercondutores baseados em grafeno”.
Seus co-autores do MIT são os principais autores Dahlia Klein, Li-Qiao Xia e David MacNeill, juntamente com Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão.
Acionando o interruptor
Em 2019, uma equipe da Universidade de Stanford descobriu que o grafeno de ângulo mágico poderia ser forçado a um estado ferromagnético. Os ferromagnetos são materiais que retêm suas propriedades magnéticas, mesmo na ausência de um campo magnético aplicado externamente.
Os pesquisadores descobriram que o grafeno de ângulo mágico pode exibir propriedades ferromagnéticas de uma maneira que pode ser ligada e desligada. Isso aconteceu quando as folhas de grafeno foram colocadas entre duas folhas de nitreto de boro, de modo que a estrutura cristalina do grafeno estivesse alinhada a uma das camadas de nitreto de boro. O arranjo se assemelha a um sanduíche de queijo no qual a fatia superior do pão e as orientações do queijo estão alinhadas, mas a fatia inferior do pão é girada em um ângulo aleatório em relação à fatia superior. O resultado intrigou o grupo do MIT.
“Estávamos tentando obter um ímã mais forte alinhando as duas fatias”, diz Jarillo-Herrero. “Em vez disso, encontramos algo completamente diferente.”
Em seu estudo atual, a equipe fabricou um sanduíche de materiais cuidadosamente angulados e empilhados. O “queijo” do sanduíche consistia em grafeno de ângulo mágico – duas folhas de grafeno, a parte superior levemente girada no ângulo “mágico” de 1,1 graus em relação à folha inferior. Acima dessa estrutura, eles colocaram uma camada de nitreto de boro, alinhada exatamente com a folha de grafeno superior. Por fim, eles colocaram uma segunda camada de nitreto de boro abaixo de toda a estrutura e compensaram-na em 30 graus em relação à camada superior de nitreto de boro.
A equipe então mediu a resistência elétrica das camadas de grafeno à medida que aplicavam uma tensão de portão. Eles descobriram, como outros, que o grafeno bicamada torcido mudava de estado eletrônico, alternando entre os estados isolante, condutor e supercondutor em certas voltagens conhecidas.
O que o grupo não esperava era que cada estado eletrônico persistisse em vez de desaparecer imediatamente assim que a voltagem fosse removida – uma propriedade conhecida como biestabilidade. Eles descobriram que, em uma voltagem específica, as camadas de grafeno se transformavam em um supercondutor e permaneciam supercondutoras, mesmo quando os pesquisadores removiam essa voltagem.
Esse efeito biestável sugere que a supercondutividade pode ser ativada e desativada com pulsos elétricos curtos, em vez de um campo elétrico contínuo, semelhante a apertar um interruptor de luz. Não está claro o que permite essa supercondutividade comutável, embora os pesquisadores suspeitem que tenha algo a ver com o alinhamento especial do grafeno torcido para ambas as camadas de nitreto de boro, o que permite uma resposta ferroelétrica do sistema. (Materiais ferroelétricos exibem biestabilidade em suas propriedades elétricas.)
“Ao prestar atenção ao empilhamento, você pode adicionar outro botão de ajuste à crescente complexidade dos dispositivos supercondutores de ângulo mágico”, diz Klein.
Por enquanto, a equipe vê o novo interruptor supercondutor como outra ferramenta que os pesquisadores podem considerar ao desenvolver materiais para eletrônicos mais rápidos, menores e com maior eficiência energética.
“As pessoas estão tentando construir dispositivos eletrônicos que fazem cálculos de uma forma inspirada pelo cérebro”, diz Jarillo-Herrero. “No cérebro, temos neurônios que, além de um certo limite, disparam. Da mesma forma, agora encontramos uma maneira de o grafeno de ângulo mágico mudar a supercondutividade abruptamente, além de um certo limite. Essa é uma propriedade essencial na realização da computação neuromórfica .”
Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, pelo Escritório de Pesquisa do Exército e pela Fundação Gordon e Betty Moore.
Com informações de Science Daily.