O arranjo dos átomos dentro de um material dita fundamentalmente o comportamento dos elétrons e os estados eletrônicos resultantes. As redes kagome, caracterizadas por padrões repetitivos de triângulos que compartilham vértices com espaços hexagonais entre eles, estão teoricamente ligadas ao surgimento de propriedades eletrônicas incomuns. Embora essas estruturas tenham sido extensivamente estudadas na teoria, a maioria dos materiais kagome existentes é tridimensional, onde as interações entre camadas frequentemente obscurecem a física subjacente.
Uma equipe liderada por Mingu Kang da Universidade Nacional de Seul e do Centro para Fases Complexas de Materiais agora realizou um sistema kagome ideal de camada única, denominado "kagomene". Publicado na Nature Physics, sua pesquisa detalha um novo material van der Waals com a fórmula química A2T3X4. Este material ultradelgado permite que os pesquisadores isolam bandas eletrônicas planas, onde os elétrons se comportam como se tivessem uma massa efetiva extremamente grande, dentro de uma única camada atômica.
Para identificar este material, os pesquisadores conduziram uma triagem sistemática de alto rendimento em um banco de dados contendo aproximadamente 183.000 materiais. Eles identificaram cerca de 5.300 candidatos com estruturas de rede kagome e filtraram-nos ainda mais para encontrar aqueles mantidos juntos por forças fracas adequadas para exfoliação mecânica. Após realizar cálculos de teoria do funcional da densidade e sintetizar os candidatos mais promissores, eles produziram com sucesso camadas atomicamente finas.
Usando nano-ARPES, uma técnica que mede elétrons liberados por um feixe de luz focado, a equipe mapeou os estados eletrônicos nessas amostras. Eles confirmaram a presença de estados eletrônicos de banda plana próximos ao nível de Fermi. Kang observou que este sistema baseado em kagome 2D atinge uma densidade eletrônica de banda plana mais de duas ordens de grandeza maior do que os sistemas existentes baseados em super-redes moiré. Este aumento significativo é atribuído ao fato de que o estado de banda plana surge intrinsecamente da geometria única da rede, em vez de depender de super-redes artificiais e grandes.
A descoberta fornece uma plataforma promissora para explorar fenômenos quânticos exóticos, incluindo supercondutividade não convencional e estados quânticos fracionários. Cálculos de muitos corpos sugerem que o efeito Hall quântico anômalo fracionário nesta rede kagome 2D poderia emergir em escalas de energia ou temperatura uma ordem de grandeza maior do que aquelas observadas nas super-redes moiré atuais. Especificamente, a escala prevista está entre 14 e 29 meV, comparado a 1–5 meV nas plataformas existentes.
Olhando para o futuro, a equipe planeja desenvolver dispositivos eletricamente ajustáveis baseados nessas redes kagome 2D. Eles pretendem investigar se as fortes interações eletrônicas dentro da banda plana podem gerar novos estados quânticos, como magnetismo ou estados topológicos fracionários, em temperaturas muito mais altas. Esta primeira plataforma genuína de kagome 2D também abre novas direções de pesquisa, incluindo a fabricação de heteroestruturas van der Waals e superestruturas moiré baseadas nessas redes.
Fontes: Phys.org.