No grafeno de duas camadas girado em um ângulo "mágico", uma rara dependência linear da resistência elétrica na temperatura próxima ao zero absoluto foi encontrada. Esse recurso torna o grafeno de camada dupla relacionado a uma classe incomum de substâncias chamadas metais estranhos. Inclui, por exemplo, cupratos, incluindo os detentores de registro para temperatura de supercondutividade à pressão normal, bem como rutenatos, pnictidas e alguns outros materiais. A descoberta confirma a presença de um novo mecanismo fundamental de transferência de carga e calor em tais compostos, escrevem os autores na revista Physical Review Letters.
O grafeno é uma modificação alotrópica bidimensional do carbono, consistindo em átomos dispostos na forma de hexágonos, unidos em folhas de espessura atômica. O grafeno tem muitas propriedades incomuns que são potencialmente úteis em ciência e tecnologia. No entanto, os cientistas continuam a descobrir novas características incomuns desse material.
Uma das descobertas importantes dos últimos dois anos foi a descoberta da supercondutividade no grafeno de duas camadas. Girar as folhas em um pequeno ângulo cria uma superrede hexagonal moiré periódica com um período muito mais longo do que o próprio grafeno. Se o ângulo tiver um dos valores "mágicos", o menor deles próximo a 1,1 graus, então, em baixas temperaturas, a substância entra em um estado supercondutor. Estudos detalhados têm demonstrado que esse grafeno em algumas de suas propriedades, em particular, o diagrama de fases, é semelhante aos cupratos - compostos, com a descoberta dos quais surgiu o termo supercondutividade de alta temperatura.
Pablo Jarillo-Herrero do Massachusetts Institute of Technology e seus colegas dos Estados Unidos e do Japão descobriram outra característica que torna o grafeno de camada dupla girado por um ângulo "mágico" semelhante aos cupratos: a presença de uma fase metálica estranha com uma dependência linear da resistência na temperatura próxima zero absoluto. Tal regularidade não é observada para metais comuns, nos quais, via de regra, ocorre um aumento acentuado da resistência após a fase supercondutora. Além disso, no momento não há uma explicação teórica completa para esse fenômeno.
Durante muito tempo, o transporte de elétrons em metais foi descrito com sucesso pela teoria de Drude, formulada em 1900, que relaciona a condutividade à densidade dos elétrons considerados como um gás, sua massa e o tempo médio τ entre o espalhamento por íons. Com correções quânticas que substituíram a massa das partículas reais pela massa efetiva dos portadores de carga e vincularam o tempo entre o espalhamento em baixas temperaturas por uma proporcionalidade τ ∼ T-2, este modelo descreveu com sucesso a maioria dos dados experimentais até a década de 1980.
A descoberta dos cupratos em 1986 demonstrou as limitações da teoria, o que não poderia explicar a fase observada de um metal estranho com uma dependência linear da resistência com a temperatura. Esse comportamento sugere que o tempo entre os espalhamento é inversamente proporcional à primeira potência da temperatura, e não ao quadrado, como no modelo de Drude. A descoberta da fase de metal estranho no grafeno de dupla camada indica ainda a necessidade de desenvolver uma nova abordagem teórica para fenômenos de transporte e fala da possibilidade de tal fase em muitos sistemas diferentes.
Se calcularmos o tempo entre o espalhamento em metais estranhos usando a fórmula de Drude (que é mal fundamentada do ponto de vista teórico), obtemos a expressão τ = Cℏ ∕ kT, onde ℏ é a constante de Planck, T é a temperatura, k é a constante de Boltzmann e C é um coeficiente numérico proporcionalidade. Acredita-se que a taxa de espalhamento deve estar relacionada à força das interações elétron-elétron (que são completamente ignoradas no modelo Drude original), e são muito diferentes em vários metais estranhos.
No entanto, as observações mostram que o coeficiente C está próximo da unidade para uma ampla variedade de metais estranhos e, como se constata, também para o grafeno de duas camadas: no novo trabalho, os valores de C medidos caíram na faixa de 1,1 a 1,6. Essa universalidade leva os teóricos a acreditar que existe um novo mecanismo fundamental para os fenômenos de transporte em metais estranhos. Os cientistas associam essa situação à dissipação de Planck, ou seja, ao estado de emaranhamento quântico de muitos elétrons, no qual a taxa máxima de dissipação de energia permitida pelas leis da física é atingida.
Vídeo promocional:
O grafeno de duas camadas pode acabar sendo um sistema conveniente para continuar os experimentos neste campo. Sua principal vantagem reside na capacidade de controlar o fator de preenchimento da superrede, ou seja, a densidade dos portadores de carga, aplicando uma tensão elétrica, enquanto outros metais estranhos devem ser fabricados novamente com outras impurezas.
Timur Keshelava
