Campo magnético artificial produz comportamentos exóticos em folha de grafeno

Descoberta, feita em pesquisa teórica, abre caminho para futuras aplicações tecnológicas. Estudo, conduzido por jovem pesquisadora brasileira, foi publicado como matéria de capa pela Physical Review Letters

José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Uma simples folha de grafeno já possui, por si só, propriedades notáveis decorrentes de um fenômeno quântico em sua estrutura eletrônica: os chamados “cones de Dirac”, assim nomeados em homenagem ao físico britânico Paul Adrien Dirac (1902-1984), Nobel de Física em 1933.

Mas o sistema torna-se ainda mais interessante se, constituído por duas folhas de grafeno sobrepostas, uma delas for girada minimamente, no próprio plano em que se encontra, de modo que os alvéolos das duas redes de carbono deixem de coincidir inteiramente (veja vídeo abaixo).

Para ângulos de giro específicos, o grafeno passa a exibir propriedades exóticas, como a supercondutividade – não resistência à passagem da corrente elétrica –, por exemplo.

Um novo estudo, conduzido pela física brasileira Aline Ramires com o espanhol Jose Lado, do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (Suíça), mostrou que a aplicação de um campo elétrico em um sistema desse tipo produz efeito idêntico ao da aplicação de um campo magnético extremamente intenso em duas folhas de grafeno alinhadas.

Artigo a respeito foi publicado, como matéria de capa, pela revista Physical Review Letters. Versão integral do texto também pode ser acessada na plataforma Arxiv. Ramires, pesquisadora no Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista (Unesp) e no Instituto Sul-Americano para Pesquisa Fundamental (ICTP-SAIFR), tem apoio da FAPESP por meio do Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes.

“Essa identificação foi feita analiticamente por mim e verificada computacionalmente por Lado. Ela possibilita que as propriedades eletrônicas do grafeno sejam controladas por meio de campos elétricos, gerando campos magnéticos artificiais, porém efetivos, com magnitudes muito maiores do que a dos campos magnéticos reais que podem ser aplicados”, disse Ramires à Agência FAPESP.

Segundo ela, é fundamental que as duas folhas de grafeno estejam suficientemente próximas para que os orbitais eletrônicos de uma consigam interagir com os orbitais eletrônicos da outra.

A proximidade, no caso, é a do espaçamento atômico dos átomos de carbono – uma distância na escala do angstrom (10^-10 metro). Outro requisito é que o ângulo de giro de uma das folhas em relação à outra seja muito pequeno, bem menor do que um grau (α<<1°).

Embora inteiramente teórico (analítico e numérico), o estudo tem um evidente potencial tecnológico, por mostrar que um material versátil como o grafeno pode ser manipulado de modo a apresentar regimes até agora inexplorados.

“Propostas anteriores de campos magnéticos artificiais eram baseadas na aplicação de forças para deformar o material. Nossa proposta permite controlar com muito mais precisão a geração desses campos. E isso poderá, eventualmente, ter aplicações práticas”, disse Ramires.

Esses estados exóticos da matéria, induzidos por campos magnéticos artificiais, estão associados ao aparecimento, nas folhas de grafeno, de “pseudoníveis de Landau”.

Os níveis de Landau – assim nomeados em homenagem ao físico e matemático soviético Lev Landau (1908-1968), Nobel de Física em 1962 – são um fenômeno quântico que faz com que, na presença de um campo magnético, as partículas eletricamente carregadas só possam ocupar órbitas com valores discretos de energia. O número de elétrons por nível é diretamente proporcional à magnitude do campo magnético aplicado.

“Esses estados são bem localizados no espaço e, quando as partículas interagem nesses níveis, as interações são muito mais intensas do que o comum. A formação de ‘pseudoníveis de Landau’ explica por que os campos magnéticos artificiais fazem surgir no material propriedades exóticas como supercondutividade ou líquidos de spin”, disse Ramires.

Imagem animada do giro de uma folha de grafeno em relação à outra. Animação feita pelo pesquisador espanhol Jose Lado, coautor do estudo.