Uma equipe colaborativa de cientistas da Universidade Cornell nos EUA, do Instituto Nacional de Ciência dos Materiais do Japão e do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria da Alemanha descobriu estados quânticos incomuns dentro do grafeno de seis camadas. Embora o grafeno seja conhecido por sua estrutura de carbono em favo de mel e seu potencial tecnológico, empilhar múltiplas camadas pode gerar propriedades distintas. Os pesquisadores concentraram-se no grafeno romboédrico de seis camadas, uma configuração onde seis camadas são deslocadas lateralmente em um padrão repetitivo.
A descoberta foi acidental. A autora sênior Xiaomeng Liu explicou que a equipe inicialmente pretendia estudar o grafeno romboédrico torcido para criar bandas topológicas isoladas. No entanto, em um dispositivo construído empilhando duas folhas de três camadas, as camadas relaxaram para se alinhar, formando inadvertidamente a estrutura romboédrica de seis camadas. As medições iniciais neste material sugeriram comportamentos não relatados anteriormente em estudos de grafeno de cinco camadas, o que levou a uma exploração mais aprofundada de seu diagrama de fases.
Para investigar essas propriedades, a equipe preparou flocos com o padrão específico de empilhamento de seis camadas e os colocou entre camadas isolantes de nitreto de boro hexagonal com portas baseadas em grafite. Eles conduziram extensas medições variando temperatura, campos magnéticos, números de portadores de carga e intensidades de campo elétrico. Esses testes revelaram resistência elétrica nula indicativa de supercondutividade, bem como uma resposta anômala de Hall sugerindo magnetismo orbital impulsionado pelo movimento dos elétrons. Além disso, oscilações quânticas permitiram à equipe reconstruir a superfície de Fermi e identificar os tipos de portadores de carga presentes.
O estudo identificou vários estados eletrônicos, incluindo estados isolantes impulsionados por interações, regiões que exibem comportamento supercondutor e dois tipos distintos de magnetismo orbital. Notavelmente, dois estados semelhantes à supercondutividade surgiram especificamente sob condições em que os portadores de elétrons e buracos coexistiam. Liu afirmou que as interações entre esses dois tipos de portadores parecem desempenhar um papel central na formação desses estados incomuns. As principais descobertas incluem a identificação de um novo estado supercondutor e um novo ímã orbital multiferróico dentro deste regime semimetálico fortemente correlacionado.
Esses resultados destacam o potencial do grafeno de seis camadas para estudar a supercondutividade e os comportamentos magnéticos impulsionados por interações eletrônicas. Os pesquisadores estão agora investigando mais profundamente as origens microscópicas do estado magnético orbital multiferróico observado. Liu observou que o trabalho em andamento levanta a possibilidade de que alguns portadores formem um cristal eletrônico enquanto outros permaneçam em um estado condutor semelhante a um líquido. Determinar se esse cristal produz magnetismo orbital ou realiza um sólido eletrônico topológico permanece uma questão aberta para pesquisas futuras.
Fontes: Phys.org.