Físicos da Universidade de Wisconsin-Madison mediram diretamente, pela primeira vez em resolução nanométrica, o fluxo fluido de elétrons no grafeno. Os resultados, que serão publicados na revista Ciência em 17 de fevereiro, têm aplicações no desenvolvimento de novos materiais de baixa resistência, onde o transporte elétrico seria mais eficiente.
O grafeno, uma folha de carbono com espessura de átomo disposta em um padrão de favo de mel, é um condutor elétrico especialmente puro, tornando-o um material ideal para estudar o fluxo de elétrons com resistência muito baixa. Aqui, os pesquisadores adicionaram intencionalmente impurezas a distâncias conhecidas e descobriram que o fluxo de elétrons muda de gás para fluido à medida que as temperaturas aumentam.
“Todos os materiais condutores contêm impurezas e imperfeições que bloqueiam o fluxo de elétrons, o que causa resistência. Historicamente, as pessoas adotaram uma abordagem de baixa resolução para identificar de onde vem a resistência”, diz Zach Krebs, um estudante de física da UW-Madison e co- autor principal do estudo. “Neste estudo, imaginamos como a carga flui em torno de uma impureza e, na verdade, vemos como essa impureza bloqueia a corrente e causa resistência, o que é algo que não foi feito antes para distinguir o fluxo de elétrons do tipo gás e do tipo fluido.
Os pesquisadores introduziram intencionalmente obstáculos no grafeno, espaçados em distâncias controladas e depois aplicaram uma corrente na folha. Usando uma técnica chamada potenciometria de tunelamento de varredura (STP), eles mediram a voltagem com resolução nanométrica em todos os pontos do grafeno, produzindo um mapa 2D do padrão de fluxo de elétrons.
Não importa o espaçamento do obstáculo, a queda na tensão através do canal foi muito menor em temperatura mais alta (77 kelvins) versus temperatura mais baixa (4 K), indicando menor resistência com mais elétrons passando.
Em temperaturas próximas do zero absoluto, os elétrons no grafeno se comportam como um gás: eles se difundem em todas as direções e são mais propensos a atingir obstáculos do que interagir uns com os outros. A resistência é maior e o fluxo de elétrons é relativamente ineficiente. Em temperaturas mais altas – 77 K, ou menos 196 C – o comportamento fluido do fluxo de elétrons significa que eles estão interagindo uns com os outros mais do que batendo em obstáculos, fluindo como água entre duas rochas no meio de um riacho. É como se os elétrons estivessem comunicando informações sobre o obstáculo entre si e se desviando das rochas.
“Fizemos uma análise quantitativa [of the voltage map] e descobriu que na temperatura mais alta, a resistência é muito menor no canal. Os elétrons estavam fluindo de forma mais livre e fluida”, diz Krebs. “O grafeno é tão limpo que estamos forçando os elétrons a interagir uns com os outros antes de interagirem com qualquer outra coisa, e isso é crucial para que eles se comportem como um fluido.”
O ex-aluno de pós-graduação da UW-Madison, Wyatt Behn, é o primeiro autor deste estudo realizado no grupo do professor de física Victor Brar. O financiamento foi fornecido pelo Departamento de Energia dos EUA (DE-SC00020313), pelo Escritório de Pesquisa Naval (N00014-20-1-2356) e pela National Science Foundation (DMR-1653661).
Com informações de Science Daily.
