Elétrons formam rede cristalina que pode revolucionar eletrônica

Com informações da Universidade Northeastern - 10/03/2020

O fenômeno ocorre quando um material bidimensional é rotacionado em relação a outro.
[Imagem: Zachariah Hennighausen et al. - 10.1039/C9NR04412D]

Elétrons estacionários

Os seres humanos estudam a carga elétrica há milhares de anos, e os resultados moldaram a civilização moderna. Nossa vida cotidiana depende da iluminação elétrica, celulares, carros e computadores em um nível que as primeiras pessoas a observar a eletricidade estática ou um raio nunca poderiam imaginar.

Agora, físicos descobriram uma nova maneira de manipular a carga elétrica, ou seja, os elétrons. E as implicações para o futuro da nossa tecnologia podem ser monumentais.

"Quando tais fenômenos são descobertos, a imaginação é o limite. Isso pode mudar a maneira como podemos detectar e comunicar sinais. Isso pode mudar a maneira como podemos sensoriar as coisas e o armazenamento de informações, além de possibilidades nas quais ainda nem pensamos," afirmou o professor Swastik Kar, da Universidade Nordeste dos Estados Unidos.

A capacidade de mover, manipular e armazenar elétrons é essencial para quase toda a tecnologia moderna, seja para coletar energia do Sol ou para jogar videogame no celular.

Os físicos agora descobriram uma maneira de induzir os elétrons a fazer algo totalmente novo: Em vez de correr pra lá e pra cá por fios, os elétrons podem distribuir-se uniformemente em um padrão cristalino e estacionário.

"Estou tentado a dizer que é quase como uma nova fase da matéria, porque ela é puramente eletrônica," disse Kar.

• Descoberto novo estado eletrônico da matéria

Manipular elétrons

O novo fenômeno apareceu enquanto os pesquisadores realizavam experimentos com materiais cristalinos com apenas alguns átomos de espessura, conhecidos como materiais 2-D, como o grafeno e a molibdenita. Neste caso, eles estavam trabalhando com um metal de transição dicalcogeneto, da família da molibdenita, e com o seleneto de bismuto, um material bizarro que abriu fronteiras entre a spintrônica e a computação quântica - nele já foram observados, por exemplo, fótons e elétrons se unindo e estranhíssimos elétrons espiralantes.

Empilhar esses materiais ultrafinos pode criar efeitos incomuns, uma vez que as camadas interagem em um nível fundamental, dando origem a fenômenos explicados pela mecânica quântica. Efeitos ainda mais especiais podem ser obtidos girando uma camada em relação à outra, produzindo um campo magnético artificial, por exemplo, o que abriu o emergente campo da flexotrônica.

Foi justamente aí que as coisas começaram a ficar estranhas. Os dois materiais bidimensionais são compostos por um padrão repetitivo de átomos, como um tabuleiro de xadrez sem fim, e são tão finos que, neles, os elétrons só podem se mover em duas dimensões.

Os elétrons formam "poças", criando uma nova camada entre as duas camadas bidimensionais.
[Imagem: Zachariah Hennighausen et al. - 10.1039/C9NR04412D]

Rede cristalina de elétrons

Os elétrons devem se repelir mutuamente - eles são os portadores de cargas negativas, devendo por isso afastar-se de quaisquer outras coisas carregadas negativamente. Mas não é isso que os elétrons nessas camadas fazem: eles começam a formar um padrão estacionário, uma espécie de "rede cristalina de elétrons".

"Em determinados ângulos, esses materiais parecem achar um jeito de compartilhar seus elétrons que acaba formando essa terceira rede geometricamente periódica. Um conjunto perfeitamente repetível de 'poças' eletrônicas puras que residem entre as duas camadas," explicou Kar.

O padrão resultante revelou uma terceira camada, que não poderia estar vindo de nenhuma das outras duas. Fenômenos semelhantes já foram observados antes, mas apenas em temperaturas criogênicas, perto do zero absoluto - estas novas observações foram feitas a temperatura ambiente.

Em outras palavras, emerge, entre os materiais 2-D, um novo padrão no estilo de treliça de pontos eletricamente carregados. E esse padrão muda conforme as duas camadas giram uma em relação à outra, exatamente como previsto pela flexotrônica.

"É aí que a coisa se torna quantum mecanicamente favorável para as poças residirem. [O deslocamento entre as camadas] está praticamente guiando essas poças de elétrons para permanecerem lá, e em nenhum outro lugar. É fascinante," disse Kar.

O céu é o limite

Embora esse fenômeno ainda esteja longe de ser totalmente compreendido e explicado, ele tem o potencial para impactar o futuro da eletrônica, dos sistemas de detecção e sensoriamento e do processamento de informações.

"O entusiasmo neste momento está em poder demonstrar algo que as pessoas nunca pensaram antes que pudesse existir à temperatura ambiente," disse Kar. "E agora, o céu é o limite em termos de como podemos aproveitá-lo."

Bibliografia:

Artigo: Evidence of a purely electronic two-dimensional lattice at the interface of TMD/Bi2Se3 heterostructures
Autores: Zachariah Hennighausen, Christopher Lane, Ioana Gianina Buda, Vineet K. Mathur, Arun Bansil, Swastik Kar
Revista: Nanoscale
Vol.: 11, 15929-15938
DOI: 10.1039/C9NR04412D