Ilustração dos elétrons movendo-se no grafeno de duas camadas, que ocorre naturalmente.
Elétrons Viajam à Velocidade da Luz no Grafeno
Físicos observaram elétrons movendo-se entre duas camadas de carbono como se não tivessem massa, de maneira análoga à luz.
Essas camadas de carbono, que ocorrem naturalmente, representam a forma mais fina do grafite e são conhecidas como “grafeno bicamada” ou “grafeno bicamada de Bernal”. Este nome homenageia o cientista John Desmond Bernal [1901-1971], que estudou a estrutura cristalina das substâncias. No empilhamento de Bernal (ou empilhamento AB), um átomo de carbono na camada superior fica diretamente acima do centro de um hexágono na camada inferior, ao contrário do empilhamento AA, onde os átomos das duas camadas se alinham diretamente uns sobre os outros. Este tipo de empilhamento AB ocorre naturalmente no grafite.
Foi precisamente nesse empilhamento de Bernal que Anna Seiler e seus colegas da Universidade de Göttingen, na Alemanha, registraram elétrons se movendo como fótons, ou partículas de luz, que não têm massa. Além de se moverem muito mais rapidamente, os elétrons no grafeno bicamada exibem o mesmo comportamento de dispersão que os fótons.
O aspecto mais significativo é que a equipe demonstrou que essa corrente relativística pode ser ligada e desligada, abrindo caminho para o desenvolvimento de transistores minúsculos, energeticamente eficientes e ultrarrápidos. Isso não é possível no grafeno comum, de camada única, pois ele não possui uma fase isolante – o grafeno é um condutor excepcional de eletricidade e não pode ser “desligado” para representar um valor “0” em um transistor (ele está sempre “ligado”, representando “1”).
O movimento anômalo dos elétrons deve-se aos cones de Dirac, semelhantes a ampulhetas, que descrevem as configurações eletrônicas de certos materiais em níveis específicos de energia.
[Imagem: Anna M. Seiler et al. – 10.1038/s41467-024-47342-0]
A descoberta mostra que o grafeno bicamada combina o melhor dos dois mundos: uma estrutura que permite o movimento incrivelmente rápido dos elétrons, como a luz, além de apresentar um estado isolante. Esse estado isolante pode ser obtido aplicando um campo elétrico perpendicular ao material.
Essa propriedade dos elétrons em movimento rápido foi prevista teoricamente em 2009, mas levou muito tempo para desenvolver amostras de alta qualidade suficientes para medir o efeito experimentalmente. Isso explica por que tem sido tão difícil levar o grafeno dos experimentos de laboratório para aplicações práticas.
Embora os experimentos tenham sido realizados em temperaturas criogênicas – cerca de -273 °C – eles demonstram o potencial do grafeno bicamada para produzir transistores altamente eficientes, possibilitando o que a equipe chama de “eletrônica quântica”.
“Nosso trabalho é um primeiro passo, mas um passo crucial. O próximo desafio para os pesquisadores será verificar se o grafeno bicamada realmente pode melhorar os transistores ou explorar o potencial desse efeito em outras áreas da tecnologia,” disse Anna Seiler.
Bibliografia:
Artigo: Probing the tunable multi-cone band structure in Bernal bilayer graphene
Autores: Anna M. Seiler, Nils Jacobsen, Martin Statz, Noelia Fernandez, Francesca Falorsi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Zhiyu Dong, Leonid S. Levitov, R. Thomas Weitz
Revista: Nature Communications
Vol.: 15, Article number: 3133
DOI: 10.1038/s41467-024-47342-0
Fonte: Editado de inovacaotecnologica.com
